КЕРНОЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель «Кернозахватное устройство» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
Использованные в тексте Заявки термины понимаются следующим образом.
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 его (их) в действие с целью захвата, отрыва от забоя и удержания керна» (см. там же).
Известные простые кернозахватные устройства с кернозахватным элементом, представляющим собой тонкое разрезное кольцо с конической наружной поверхностью и внутренними кернозахватными выступами (И.С.Афанасьев, Г.А.Блинов, П.П.Пономарев, А.И.Кукес, Н.Н.Бухарев, О.В.Иванов, Ю.Т.Морозов, А.И.Осецкий, Э.К.Егоров, Н.Г.Егоров - Справочник по бурению геологоразведочных скважин. - СПб.: ООО «Недра», 2000. с.199-202, рис.3.9. а, б, в), используемые в одинарных и двойных колонковых снарядах с алмазными и твердосплавными коронками, предназначены для захвата и удержания керна монолитных и слаботрещиноватых горных пород и не обеспечивают подъема кернового материала при бурении в несвязных (дезинтегрированных) горных породах.
Из известных КЗУ и КЗЭ, применяемых в колонковых снарядах, для захвата дезинтегрированного кернового материала предназначены пружинящие упругие элементы в виде проволок и пластин, направленных вверх, и в виде поворотных рычажков. Однако проволочные упругие элементы очень ненадежны, а для размещения в колонковом наборе поворотных рычажков требуется большое конструктивное пространство, в связи с чем увеличивается толщина матрицы буровой коронки и, следовательно, увеличивается площадь разрушаемого кольцевого забоя при уменьшении диаметра керна, что нерационально.
Известно кернозахватное устройство (патент РФ на полезную модель №9870 МПК Е21В 25/00), содержащее кернозахватные элементы в виде направленных вверх упругих лепестков, выполненных в теле втулки и являющихся неотъемлемой частью ее, а на наружной поверхности втулки выполнен кольцевой буртик, который установлен с возможностью свободного вращения в кольцевой проточке колонковой трубы над верхним торцем коронки.
Данное кернозахватное устройство успешно решает задачу захвата и подъема дезинтегрированного кернового материала несвязных горных пород (галечники, гравийно-галечные и песчано-гравийные отложения и т.п.), однако не всегда обеспечивает захват и отрыв монолитного плотного керна, особенно крепких горных пород, так как при подъеме снаряда упругие лепестки скользят по керну, не врезаясь в него.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности кернозахватного устройства при бурении скважин в горных породах с разнообразными физико-механическими свойствами.
Для решения поставленной задачи в разрезном кернорвательном кольце с конической наружной поверхностью и внутренними кернозахватными выступами между выступами выполнены дополнительные кернозахватные элементы в виде расположенных поочередно малых и больших упругих лепестков, причем малые упругие лепестки направлены внутрь устройства и всегда взаимодействуют с керном в процессе бурения, а большие лепестки отжимаются при сборке устройства в соответствующие им впадины в кернорвательном кольце, которое своей внутренней проточкой вместе с отжатыми в исходное положение большими упругими лепестками размещается на наружной проточке керноприемной трубы, и в процессе бурения с керном не взаимодействуют, срабатывая лишь при подъеме снаряда, когда кернорвательное кольцо в результате взаимодействия малых лепестков с керном выходит из контакта с наружной проточкой керноприемной трубы.
Благодаря тому, что малые упругие лепестки находятся в постоянном контакте с керновым материалом любого агрегатного состояния, кернорвательное кольцо КЗУ при подъеме снаряда выдергивается с наружной проточки керноприемной трубы, при этом освободившиеся большие упругие лепестки, двигаясь к центру, стремятся перекрыть внутреннюю полость КЗУ и захватывают весь имеющийся на забое керновый материал.
Благодаря применению кернорвательного кольца с внутренними кернозахватными выступами захватывается, а затем, при движении конического кольца вниз по конической проточке корпуса при подъеме снаряда, зажимается керн плотных и слаботрещиноватых пород. В случае уменьшения диаметра керна в результате износа в процессе бурения захват его кернозахватными выступами произойдет благодаря вынужденному перемещению вниз разрезного кернорвательного кольца за счет постоянного взаимодействия с керном малых упругих лепестков.
Таким образом, предлагаемое кернозахватное устройство является универсальным техническим средством, позволяющим гарантированно захватить и извлечь из скважины керновый материал, находящийся в любом агрегатном состоянии. Это особенно важно потому, что в процессе бурения скважин (часто в течение одного рейса) встречаются горные породы с самыми разнообразными физико-механическими свойствами.
Благодаря описанным конструктивным особенностям предлагаемое кернозахватное устройство может применяться как с одинарными, так и с двойными колонковыми трубами, а также в комплексах со съемными керноприемниками.
Предлагаемое кернозахватное устройство (фиг.1, продольный разрез) состоит из разрезного кернорвателыюго кольца 1 с наружной конической поверхностью и внутренними кернозахватными выступами «а», размещенного в корпусе 2, соединенном с керноприемной трубой 3. Между кернозахватными выступами «а» в теле кернорвательного кольца 1 вырезаны (например, лазером) малые лепестки «б» и большие лепестки «в», расположенные поочередно. Малые упругие лепестки «б» всегда направлены внутрь устройства. Большие упругие лепестки «в» при сборке КЗУ на поверхности с помощью простого приспособления отжимаются в соответствующие им впадины в кернорвательном кольце, которое затем своей внутренней проточкой вместе с отжатыми в исходное положение большими лепестками размещается на наружной проточке керноприемной трубы (это положение изображено на фиг.1).
Разрезное кернорвательное кольцо 1 изготавливается из пружинной стали и подвергается термической обработке (закалке) при положении лепестков «б» и «в» «внутрь КЗУ» (это положение изображено на фиг.2). Для обеспечения возможности свободного вращения кернорвательного кольца внутренняя проточка кернорвательного кольца и наружная проточка на керноприемной трубе закаливаются и шлифуются, а при сборке КЗУ их поверхности обильно смазываются консистентной смазкой.
При бурении керн поступает внутрь КЗУ. Кернорвательное кольцо за счет взаимодействия малых упругих лепестков «б» с керном прижимается вверх и находится постоянно в исходном положении, показанном на фиг.1. По окончании бурения колонковый снаряд поднимают. За счет взаимодействия с керном малых упругих лепестков «б» (и кернозахватных выступов «а» - если керн монолитный и мало изношен в процессе бурения) кернорвательное разрезное кольцо, сжимаясь, перемещается вниз по внутренней конической поверхности корпуса 2. При этом большие упругие лепестки «в» выходят из контакта с наружной проточкой керноприемной трубы и, двигаясь под действием сил упругости к центру, стремятся перекрыть внутреннюю полость КЗУ, захватывая весь имеющийся на забое керновый материал. В случае, если керновый материал представлен рыхлыми и сыпучими породами, большие лепестки «в» могут максимально сблизиться к центру (это положение показано на фиг.2). Благодаря тому, что длина больших лепестков больше радиуса разрезного кернорвательного кольца, они при сближении к центру образуют фигуру наподобие купола, являющегося достаточно устойчивой конструкцией, способной удержать керновый материал от выпадения из КЗУ при подъеме из скважины.
Извлечение керна из КЗУ на поверхности производится после отвинчивания корпуса 2 от керноприемной трубы 3. Упругие лепестки в случае деформации правятся с помощью простого приспособления, поверхности деталей очищаются, смазываются консистентной смазкой, после чего КЗУ может быть собран в исходное положение.