ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ СНАРЯД

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для удаления шлама при проходке глубоких скважин с отбором керна в ледовых толщах Арктики и Антарктики.
Известно устройство - электромеханический буровой снаряд NGRIP для бурения во льду с призабойной циркуляцией промывочной жидкости, в котором система шламоудаления представлена шламосборником, состоящим из корпуса и перфорированной трубы покрытой сеткой с размером ячеек не менее 0,2 мм. Это позволяет собирать частицы шлама с размером, превышающим размер ячейки сетки, которые в дальнейшем образуя первые слои шлама выступают в роли фильтра Зависимость интенсивности удаления шлама от частоты вращения породоразрушающего инструмента не позволяет регулировать процесс разрушения породы на забое, что отрицательно сказывается на проходку за рейс, а также влияет на эффективность системы шламоудаления, и является нарушением технологии бурения, которое может привести к зашламованию призабойной зоны и прихвату бурового снаряда (П.Г.Талалай, Н.С.Гундеструп. "Результаты бурения глубоких скважин в центральной части гренландского ледникового покрова", 4-й Международный симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях: Сборник докладов / Санкт-Петербургский горный институт. СПб, 2000, 70 с.).
Известно устройство - колонковый электромеханический снаряд CNRS (Donnou D., Gillet F., Manouvrier A., ect. Deep core drilling: electro-mechanical or thermal drill? // USA CREEL Spec. Rep.83-34 / - Hanover, USA CREEL, 1984. - P.81-84.), в котором с целью увеличения объемной плотности шлама, собираемого в снаряде, шламосборник выполнен в виде центрифуги, связанной непосредственно с выходным валом приводного электродвигателя. Недостатком устройства являются очень высокие затраты мощности на вращение центрифуги в жидкости.
Известно также устройство (а.с. SU №1472613, E21B 4/04, опубл. 19.12.86) "Колонковый электромеханический буровой снаряд " на грузонесущем кабеле для бурения глубоких скважин во льдах, принятое за прототип. Буровой снаряд включает в себя колонковый набор, шламосборник, приводной узел, насосный отсек, электроотсек, кабельный замок для крепления его на грузонесущем кабеле. Шлам, образуемый при разрушении льда на забое скважины, увлекается потоком промывочной жидкости в кольцевой зазор между колонковой трубой и керном, откуда он попадает в центральную шламоподъемную трубу. Через отверстия в шламоподъемной трубе промывочная жидкость, обогащенная шламом, поступает во внутренней шламосборник, обечайка которого изготовлена из проволочной сетки. Отфильтрованная жидкость, пройдя через сетку шламосборника, устремляется по центральному каналу приводного вала редуктора и вала ротора электродвигателя под действием насоса в затрубное пространство. Фильтрующим элементом шламосборника служит металлическая сетка с размером ячеек не менее 0,2-0,3 мм, что позволяет на первом этапе собирать частицы с размером, превышающим ячейки, а в дальнейшем - весь шлам, так как первые слои шлама, собранные в шламосборнике, выступают затем в роли фильтра. Объемное содержание и пористость шлама в шламосборнике являются важнейшими показателями эффективности системы шламоудаления. Если шлам не попадает в шламосборник, а накапливается в затрубном пространстве, является нарушением технологии бурения, которое может привести к зашламованию призабойной зоны и прихвату бурового снаряда. Чем плотнее шлам в шламосборнике, тем большее возможная рейсовая проходка. Диаметр шламосборника определяется диаметром колонкового набора, а его длина выбирается исходя из планируемой рейсовой проходки.
Сетка фильтра шламосборника является источником основных гидравлических сопротивлений в системе циркуляции заливочной жидкости. При включении вращения расход жидкости сразу падает в два раза, и это только благодаря потерям на сетке фильтра. В процессе бурения по мере увеличения толщины слоя шлама по всей длине сетки фильтра, увеличиваются гидравлические сопротивления. Проходка прекращается, когда сопротивления достигают такой величины, что заливочная жидкость практически не проходит сквозь фильтр, и насос останавливается.
Недостатком устройства является недостаточно эффективная работа системы очистки забоя скважины от шлама при изменении с глубиной физико-механических свойств ледовых массивов. На глубине свыше 3500 метров, под действием повышающегося давления, лед из хрупкого тела превращается в вязко-пластическое, изменяются процессы разрушения льда и образования шлама, при резании поликристаллического массива и монокристаллов льда. При бурении монокристаллов шлам состоит из частиц менее 0,5 мм с большим количеством мелкодисперсных фракций. Попадая в фильтр, этот шлам образует слой на сетке фильтра, который даже при незначительной толщине создает большие гидравлические сопротивления для потока заливочной жидкости. Это приводит к снижению расхода жидкости, что в свою очередь способствует образованию шламовых пробок у резцов коронки и остановке бурения при незначительной проходке.
Задачей изобретения является модернизация конструкции фильтра шламосборника в электромеханическом буровом снаряде, которая позволяет увеличить плотность шлама в фильтре шламосборника, снизить гидравлические сопротивления и за счет этого повысить эффективность работы системы очистки забоя от шлама и увеличить рейсовую проходку.
Технический результат достигается тем, что в электромеханическом буровом снаряде для отбора керна, включающем кабельный замок, электроотсек, насосный узел, приводной узел, шламосборник, колонковый набор, сетчатая обечайка фильтра шламосборника выполнена гофрированной.
Такая конструкция фильтра шламосборника увеличивает площадь сетки в 1,6 раза, при снижении площади сечения на 2%, что повышает плотность шлама в фильтре и снижает гидравлические сопротивления, что подтверждено экспериментально.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен электромеханический буровой снаряд, на фиг.2 - шламосборный отсек электромеханического бурового снаряда.
Электромеханический буровой снаряд включает: 1 - кабельный замок; 2 - электроотсек; 3 - насосный узел; 4 - приводной узел; 5 - шламосборник; 6 - колонковый набор.
Шламосборный отсек состоит: 7 - кожух; 8 - переходник; 9 - колонковая труба; 10 - центральная труба; 11 - переходник; 12 - заглушка; 13 - болт; 14 - шайба; 15 - крышка; 16 - корпус; 17 - пружина; 18 - кнопка; 19 - фиксатор; 20 - сетчатая обечайка фильтра; 21 - фильтр шламосборника. На разрезе Б-Б показана сетчатая обечайка фильтра 20.
Кожух шламосборного отсека 7 с помощью переходника 8 соединяется с колонковой трубой 9. Фильтр шламосборника 21 фиксируется с помощью винтов на корпусе 16, в котором на пружине 17 закреплены кнопка 18 и фиксатор 19. В фильтре шламосборника 21 шламоподъемная труба 10 с одной стороны соединена резьбой с переходником 11 (разрез А-А), а с другой - через заглушку 12, болт 13 и шайбу 14 - с крышкой 15. Обечайка фильтра 20 изготовляется из латунной сетки (площадь ячейки 0,315 мм, толщина проволоки 0,2 мм). После подъема снаряда на поверхность и отсоединения колонковой трубы 9 с находящимся в ней керном необходимо извлечь заполненный шламом фильтр шламосборника 21. Для этого нажатием на кнопку 18 освобождается фиксатор 19, и фильтр 21 под действием собственного веса и веса собранного шлама выходит из кожуха 7. Затем ослабляются винты, крепящие переходник 11 к корпусу 16, и фильтр шламосборника 21 снимается для чистки от шлама. Сборка шламосборного отсека при подготовке снаряда к спуску производится в обратной последовательности.
Сетчатая обечайка фильтра 20 выполненная гофрированной, как показано на разрезе Б-Б, позволяет увеличить площадь сетки в 1,6 раза при снижении площади сечения на 2%, что ведет к снижению гидравлических сопротивлений и увеличения рейсовой проходки за счет повышения плотности шлама в фильтре шламосборника. Работа бурового снаряда опробована в реальных полевых условиях Антарктиды, на станции Восток, где ведется бурение самой глубокой в мире скважины в сплошных льдах. Изменения, внесенные в конструкцию фильтра шламосборника, позволили стабилизировать процесс бурения и повысить эффективность работы системы очистки забоя от шлама.