УСТРОЙСТВО ВЫБУРИВАНИЯ КЕРНОВ ИЗ СТЕНОК СКВАЖИН ИЛИ КАНАЛОВ
DEVICE FOR CORES DRILLING FROM WELL WALLS OR CHANNELS

Изобретение относится к устройствам для выбуривания кернов из стенок скважин или каналов и может быть использовано в области атомной энергетики для выбуривания кернов графита из кладок уран-графитовых реакторов канального типа.
Отбор целостных кернов в графитовых блоках необходим для получения экспериментальных данных для послойного анализа физико-механических и радиационных свойств графитового блока.
Известен ряд устройств отбора кернов, относящихся к горному делу и предназначенных для отбора кернов горной породы. Например, боковой грунтонос ВСЕГЕИ [Башлык С.М., Загибайло Г.Т. Бурение скважин. - М.: Недра, 1990. - С.265-266] опускается в скважину на бурильных трубах. При спуске стакан-пробник прижимается к стенке скважины пружиной, при подъеме - внедряется в стенку скважины, наполняется породой и, поворачиваясь примерно на 180°, заходит внутрь трубчатого корпуса, имеющего продольный вырез. Но полученная с помощью данного устройства проба представляет собой столбик с нарушенной структурой и непригодна для послойного анализа физико-механических и радиационных свойств графита.
Известно устройство для отбора герметизированного керна из стенки скважины [RU 2251618 С2, МПК Е21В 49/06, опубл. 10.05.2005 г.]. Устройство состоит из корпуса, в котором размещены кинематически связанные между собой электродвигатель, редуктор и бур с кольцевой фрезой. С буром посредством передаточного механизма кинематически связана пробка, перекрывающая керноприемную кассету. Передаточный механизм выполнен в виде поворотного барабана с криволинейным вырезом на его боковой поверхности, отклоняющего пальца и поворотного рычага. В опущенном в скважину керноотборнике включается электродвигатель, который посредством кинематики приводит во вращение кольцевую фрезу и с помощью гидравлики поворачивает прижимной рычаг так, что он прижимает керноприемник к стенке скважины.
Недостаток конструкции заключается в ее больших габаритах, что, учитывая расположение фрезы в верхней части устройства и сужение проходного канала тракта реактора под графитовой кладкой, не позволяет проводить отбор кернов на нижних отметках кладки уран-графитового реактора. К недостаткам данного устройства относятся и ограничения по глубине и направлению выбуривания керна. Также применение механизма гидравлики в конструкции может привести к попаданию жидкости в графитовую кладку ядерного реактора, что недопустимо из-за требований безопасности ядерных объектов.
Известно устройство для горизонтального выбуривания кернов из стенок скважин или каналов [Патент RU №2378510 от 10.01.2010 г., МПК Е21В 17/02, G21C 17/02], взятое за прототип. Устройство содержит несущую штангу, снабженную приводом вращения, ведомый полый вал, буровую головку, трубчатую фрезу, связанную системой каналов с отсосом, механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы. Механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из ведущей конической шестерни, взаимодействующей с установленным на фрезе ведомым полым валом-шестерней, и неподвижной втулки с наружной резьбой, размещенной в полости ведомого полого вала-шестерни. Трубчатая фреза выполнена в виде втулки с внутренней резьбой и навинчена на неподвижную втулку.
Недостатком этого устройства является ограничение по глубине и направлению выбуривания керна. Данное устройство обеспечивает выход трубчатой фрезы из корпуса под углом 90° и выбуривание керна по длине на величину до 85% от диаметра отверстия канала или скважины, что недостаточно для послойного анализа физико-механических и радиационных свойств графитовых блоков.
Задачей изобретения является разработка устройства, обеспечивающего извлечение целостного керна по всей толщине стенки скважины или канала под любым углом в диапазоне 5÷35° относительно оси скважины или канала.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве выбуривания кернов из стенок скважин или каналов, содержащем несущую штангу, снабженную приводом вращения, ведомый полый вал, буровую головку, трубчатую фрезу, связанную системой каналов с отсосом, механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы, несущая штанга снабжена штурвалом подачи. Буровая головка имеет канальное отверстие, выполненное в верхней части параллельно ее оси, а в нижней - под углом α в диапазоне 5÷35° относительно ее оси. Трубчатая фреза содержит выламыватель кернов. Механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из штурвала подачи, по крайней мере, двух передаточных втулок и ведомого полого вала, связанных между собой, и трубчатой фрезой, посредством шарнирной передачи, содержащей полые шарниры с углублениями на шарообразной головке, в которых расположены фиксаторы, закрепленные гайкой.
Система каналов образована трубчатой фрезой, полыми шарнирами, передаточными втулками и ведомым полым валом.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство, общий вид. На фиг.2 показан выносной элемент А на фиг.1 - продольный разрез буровой головки. На фиг.3 представлена схема выбуривания графитовых кернов из кладок уран-графитовых реакторов с помощью предлагаемого устройства, продольный разрез.
Устройство содержит несущую штангу 1 (см. фиг.1) со штурвалом подачи 2, на которой закреплен электропривод 3 и съемный узел отсоса 4, опорную платформу 5, к которой прикреплена труба 6, связанная через переходный патрубок 7 с буровой головкой 8. Соединения переходного патрубка 7 с трубой 6 и буровой головкой 8 выполнены разъемными (например, резьбовым).
Длину переходного патрубка 7 выбирают в зависимости от глубины погружения устройства в скважину.
Буровая головка 8 имеет канальное отверстие 9 (см. фиг.2), выполненное в верхней части параллельно оси буровой головки 8, а в нижней - под углом α в диапазоне 5÷35° относительно оси буровой головки 8 в зависимости от заданного угла отбора керна.
К несущей штанге 1 (см. фиг.1) прикреплен патрон 10, передающий вращение с электропривода 3 на ведомый полый вал 11. Ведомый полый вал 11 (см. фиг.2) связан с полой фрезой 13 посредством шарнирной передачи через передаточные втулки 12. Шарнирная передача между передаточными втулками 12, ведомым полым валом 11 и фрезой 13 обеспечивается с помощью полых шарниров 14, каждый из которых имеет на одном конце обратную резьбу, а на другом - шарообразную головку 15. С двух сторон шарообразной головки 15 полого шарнира 14 расположены углубления 16, в которых размещены фиксаторы 17, закрепленные гайкой 18. Втулка 19 обеспечивает крепление шарообразной головки 15 в передаточной втулке 12.
Фиксаторы 17 передают вращение с передаточных втулок 12 на полые шарниры 14, не препятствуя при этом отклонению шарниров на требуемый для прохождения по канальному отверстию 9 угол.
Штурвал подачи 2, ведомый полый вал 11 и передаточные втулки 12 составляют механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы 13, которая в исходном положении находится в пределах буровой головки 8.
Внутри трубчатой фрезы 13 расположен выламыватель 20, фиксируемый резьбовой втулкой 21, предназначенный для отламывания керна при его вхождении во внутреннюю полость трубчатой фрезы 13 во время ее поступательного и вращательного движения в процессе выбуривания.
Система каналов 22, образованная трубчатой фрезой 13, полыми шарнирами 14, передаточными втулками 12, ведомым полым валом 11 и связанная с узлом отсоса 4 (см. фиг.1), предназначена для удерживания графитового керна во внутренней полости трубчатой фрезы 13 и отсоса графитовой пыли при бурении.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают на заданную глубину канала (например, тракта уран-графитового реактора) и фиксируют с помощью опорной платформы 5 на верхних узлах канала (скважины). Включают электропривод 3 вращения ведомого полого вала 11. Ведомый полый вал 11, вращаясь, через передаточные втулки 12 и полые шарниры 14 приводит в движение трубчатую фрезу 13. Вращая штурвал подачи 2, придают трубчатой фрезе поступательное движение. Трубчатая фреза 13, перемещаясь по наклонной плоскости канального отверстия 9, совершая одновременно с вращением поступательное движение, выходит за пределы буровой головки 8, врезается режущими зубьями в графитовый блок 23 (см. фиг.3), и высверливает графитовый керн 24, который на определенной глубине, упираясь в выламыватель 20, отламывается и остается во внутренней полости трубчатой фрезы 13. Удержание графитового керна 24 во внутренней полости трубчатой фрезы 13 и отсос графитовой пыли происходит через систему каналов 22, соединенную с узлом отсоса 4.
Для возвращения несущей штанги 1 в верхнее исходное положение штурвал подачи 2 вращают в обратном направлении. Извлечение керна из трубчатой фрезы 13 выполняется после извлечения ведомого вала 11 с трубчатой фрезой через съемный узел отсоса 4.
Необходимую глубину выбуривания достигают установкой определенного количества передаточных втулок 12. Конструкция устройства позволяет увеличивать количество передаточных втулок 12 в зависимости от заданной глубины выбуривания. Зазоры между передаточными втулками 12 и трубчатой фрезой 13 можно задавать благодаря обратной резьбе полых шарниров 14 в зависимости от заданного угла бурения. В результате получается «гибкий» механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы 13, обеспечивающийся шарнирной передачей.
Поддержание движения трубчатой фрезы 13 в прямолинейном направлении в выбуриваемой породе обеспечивают тем, что увеличение количества передаточных втулок 12 осуществляют постепенно и только после выбуривания очередного керна. Определенное влияние на предотвращение отклонения передаточных втулок 12 в породе в процессе выбуривания также оказывают: достаточно высокая прочность выбуриваемой породы, вращающий момент, придающий устойчивость; сила тяжести, обеспечивающая движение фрезы 13 и передающих втулок 12 преимущественно только в одном направлении.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет обеспечить выход трубчатой фрезы из буровой головки под углом в диапазоне 5÷35° на величину до 10 и более диаметров проходного сечения канала без увеличения габаритных размеров устройства и независимо от диаметра скважины (канала), что делает возможным применение данного устройства при отборе проб из кладок промышленных уран-графитовых реакторов (ПУГР) для послойного анализа физико-механических и радиационных свойств графитового блока.