ДВОЙНОЙ КОЛОНКОВЫЙ СНАРЯД

Предлагаемая полезная модель «Двойной колонковый снаряд» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
Известно, что при бурении скважин в сложных по получению керна геологических условиях надежный срыв и удержание керна разрушенных, несвязных горных пород могут обеспечить лишь двойные колонковые снаряды с принудительным захватом керна, оснащенные эффективными кернозахватными элементами и надежными механизмами для их принудительного срабатывания и фиксирования в состоянии захвата.
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 их в действие с целью отрыва от забоя, захвата и удержания керна» (см. там же).
Известен двойной колонковый снаряд по а.с. 1411431, МКИ Е21В 25/00, содержащий наружную колонковую трубу с породоразрушающим инструментом, внутреннюю керноприемную трубу с кернозахватным элементом в виде деформируемого шлипса, гидравлический затвор, корпус которого закреплен в наружной трубе, а золотник снизу соединен с внутренней керноприемной трубой, сверху посредством штока - с приводным поршнем, имеющим гнездо под сбрасываемый клапан.
Известный двойной колонковый снаряд хорошо зарекомендовал себя за многие годы использования в разных условиях при бурении скважин с применением в качестве очистного агента промывочной жидкости. В этом снаряде принудительный захват керна производится при подаче на приводной поршень усилия от повышенного давления промывочной жидкости, возникающего после перекрытия сбрасываемым клапаном проходного отверстия в поршне.
В этом двойном колонковом снаряде фиксирование кернозахватного элемента в состоянии захвата керна осуществляется с помощью установленного в канале переводника подпружиненного штифта, входящего при движении вниз приводного поршня в одну из кольцевых проточек, выполненных на его поверхности.
Недостатком этого устройства является ограниченное количество позиций фиксирования положения КЗЭ в состоянии захвата, что не позволяет зафиксировать КЗЭ в любом положении. Дело в том, что, в связи с разным состоянием и износом керна, КЗЭ при принудительном внедрении его в зазор между керном и коронкой входит на разную глубину. При этом исключительно важно зафиксировать КЗЭ в достигнутом крайнем нижнем положении, что должно обеспечить более надежный захват керна и удержание его при
подъеме снаряда из скважины. При наличии ограниченного количества позиций фиксирования (1÷3) фиксирование КЗЭ происходит не всегда в достигнутом нижнем положении.
В значительной мере этот недостаток устранен в двойном колонковом снаряде по полезной модели №10770, МКИ Е21В 25/00, в котором фиксирование КЗЭ в состоянии захвата происходит с помощью клапана-фиксатора со сферической головкой и конусовидным хвостовиком, оснащенным тонкой пластинкой из пружинной стали, взаимодействующим с выполненным во втулке замка кольцевыми треугольными насечками, направленными против движения клапана-фиксатора вверх. В связи с наличием большого количества насечек существенно увеличивается количество позиций фиксирования керна, что, безусловно, повышает возможность более надежно захватить и зафиксировать керн в состоянии захвата.
Благодаря чрезвычайному разнообразию физико-механических свойств горных пород нередко бывают случаи встречи в одном рейсе плотных, монолитных горных непосредственно вслед за разрушенным слоем, ради подъема которого в скважину был опущен двойной колонковый снаряд. В таких случаях успех захвата керна решают миллиметры возможного внедрения КЗЭ в зазор между керном и коронкой, поэтому желательно чтобы фиксирование КЗЭ происходило в любом положении, даже тогда, когда внедрение КЗЭ меньше, чем расстояние между насечками.
Кроме того, не исключается возможность несрабатывания фиксирующих устройств, использованных в изобретении по патенту №1411431 и в полезной модели №10770, что является их общим недостатком.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности двойного колонкового снаряда с принудительным захватом керна.
Для решения поставленной задачи в двойном колонковом снаряде, содержащем наружную колонковую трубу с породоразрушающим инструментом, внутреннюю керноприемную трубу с кернозахватным элементом в виде деформируемого шлипса, гидравлический затвор, корпус которого закреплен в наружной трубе, а золотник снизу соединен с внутренней керноприемной трубой, сверху посредством штока - с приводным поршнем, имеющим гнездо под сбрасываемый клапан, устройство для фиксирования кернозахватного элемента в состоянии захвата керна выполнено в виде подпружиненного обратного клапана, установленного в сквозном канале корпуса гидрозатвора, гидравлически соединяющем надзолотниковую полость с внешним пространством.
Благодаря тому, что надзолотниковая полость гидравлически соединена с внешним (затрубным) пространством, в нее при ее увеличении в период перемещения золотника вниз в процессе принудительного захвата керна всасывается жидкость из кольцевого зазора между двойным колонковым снарядом и стенками скважины, а благодаря наличию в канале обратного клапана вытеснение жидкости из надзолотниковой полости предотвращается. Таким образом, кернозахватный элемент фиксируется в состоянии захвата в достигнутом крайнем нижнем положении, что обеспечивает высокую надежность захвата и подъема как рыхлого, дробленного, так и монолитного керна.
Предлагаемый двойной колонковый снаряд изображен на фиг.1 (продольный разрез) и фиг.2 (обратный клапан фиксирующего устройства в более крупном масштабе).
Двойной колонковый снаряд (фиг.1) состоит из наружной колонковой трубы 1 с породоразрушающим инструментом, например, в виде наружной (2) и внутренней (3) коронок, установленных на подкороннике 4, внутренней керноприемной трубы 5 с кернозахватным элементом в виде деформируемого шлипса 6, гидравлического затвора, корпус 7 которого закреплен в наружной трубе 1, а золотник 8 снизу соединен с керноприемной трубой 5, сверху посредством штока 9 - с приводным поршнем 10, имеющим гнездо под сбрасываемый клапан 11. Приводной поршень 10 размещен во внутренней полости переводника 12 и подпружинен пружиной 13, размещенной на штоке 9. Переводник 12 в верхней части имеет резьбу для соединения с бурильными трубами 14.
Устройство для фиксирования кернозахватного элемента в состоянии захвата керна представляет собой обратный клапан (фиг.2), например, в виде шарика 15, прижимаемого к седлу 16 пружиной 17, который установлен в сквозном канале корпуса 7 гидрозатвора, гидравлически соединяющем надзолотниковую полость с внешним пространством.
Двойной колонковый снаряд работает следующим образом.
В процессе бурения промывочная жидкость, подаваемая от поверхностного бурового насоса (не показан), по колонне бурильных труб 14 поступает через каналы в поршне 10 и корпусе 7 гидрозатвора в кольцевой зазор между наружной трубой 1 и внутренней керноприемной трубой 5 и далее через каналы в подкороннике 4 в зазор между коронками 2 и 3. В призабойной части поток раздваивается: часть жидкости поднимается по кольцевому зазору между наружной трубой 1 и стенками скважины, где дальнейшее ее продвижение частично ограничивается утолщением на нижней части корпуса гидрозатвора, в связи с чем большая часть промывочной жидкости направляется внутрь керноприемной трубы
5, создавая напорный внутренний восходящий поток, выходящий в затрубное пространство через радиальные каналы в золотнике 8 и корпусе 7 гидрозатвора выше кольцевого утолщения.
По окончания бурения внутрь бурильных труб сбрасывается клапан, например, в виде шарика 11, который садится в гнездо поршня 10, перекрывая канал в нем для прохождения промывочной жидкости к забою. Включается насос, под давлением промывочной жидкости поршень 10 и соединенный с ним штоком 9 золотник 8 с керноприемной трубой 5 и КЗЭ 6 перемещаются вниз, сжимая пружину 13. В процессе этого принудительного перемещения КЗЭ, контактируя с внутренней конической поверхностью породоразрушающего инструмента, деформируется и плотно захватывает керн.
При принудительном перемещении золотника вниз надзолотниковая полость увеличивается, в ней создается разрежение, под совместным действием которого и давления затрубной жидкости на обратный клапан 15 последний, сжимая пружину 17, открывает сквозной канал, через который жидкость из кольцевого зазора между колонковым снарядом и стенками скважины заполняет надзолотниковую полость.
После захвата керна поверхностный насос выключается, перемещение КЗЭ вниз прекращается, и он фиксируется в состоянии захвата в достигнутом крайнем нижнем положении, поскольку возвращению его вверх под воздействием пружины 13 препятствует несжимаемая жидкость, заполнившая надзолотниковую полость, а вытеснению жидкости из надзолотниковой плоскости препятствует подпружиненный обратный клапан 15, перекрывший канал.
После подъема двойного колонкового снаряда из скважины расфиксирование КЗЭ происходит путем нажатия на обратный клапан любым предметом, проходящим через отверстие в седле клапана, при этом жидкость из надзолотниковой полости изливается.