СЪЕМНЫЙ КЕРНОПРИЕМНИК

Предлагаемая полезная модель «Съемный керноприемник» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения с отбором керна.
В известных съемных керноприемниках, включающих захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески (подшипниковый узел), керноприемную трубу и кернорватель, используется кернорватель пружинного типа, состоящий из разрезного пружинного кольца, корпуса с конусной проточкой и упорного кольца (см. 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.381, рис.7.9).
Кернорватели в виде пружинного разрезного кольца способны надежно захватить монолитный и крупнокусковой керн. В случаях же значительного износа керна по диаметру и при бурении скважин в трещиноватых, разрушенных, раздробленных и рыхлых горных породах кернорватели этого типа не эффективны (см. Егоров Н.Г. - Колонковые снаряды с кернозахватными устройствами. - М., 1997, Техника, технология и организация геол.-развед. работ, Обзор/АОЗТ «Геоинформмарк», с.17). Этот недостаток является серьезным препятствием для более широкого применения прогрессивного способа бурения с использованием съемных керноприемников.
Практикой буровых работ и проведенными научными исследованиями доказано (см. Егоров Н.Г. - Бурение скважин в сложных геологических условиях. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2006, с.220-223), что:
1). Существенно повысить надежность захвата и удержания керна могут лишь кернозахватные устройства (КЗУ) с принудительным захватом керна, в которых кернозахватный элемент (КЗЭ) захватывает керн под действием механических иди гидравлических усилий;
2). Для использования в колонковых снарядах с принудительным захватом керна более других эффективны простые КЗЭ в виде втулки с лепестками, образованными путем тангенциальных разрезов - узких вертикальных разрезов, выполненных в тонкостенной части ее по касательной к внутренней поверхности (полезная модель №10771).
Известен созданный с учетом указанных выводов съемный керноприемник по полезной модели №105661, включающий захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески, подпружиненный клапан, размещенный на штоке в полости переходников между впускными и выпускными отверстиями, подвесное кольцо, скрепленное срезным элементом (элементами) с наружной поверхностью переходника узла подвески с возможностью ограниченного перемещения после принудительного среза срезного элемента (элементов), керноприемную трубу и соединенный с ней с возможностью ограниченного продольного перемещения кернодержатель с размещенным в нем кернорвателем в виде втулки с лепестками, образованными путем тангенциальных разрезов.
Съемный керноприемник по полезной модели №105661 на основе керноприемника S-75, применяемого в КНР, успешно прошел испытания, показав работоспособность и высокую эффективность.
В применяемых в России съемных керноприемниках, в отличие от съемных керноприемников, используемых в КНР, отсутствует подпружиненный в корпусе шток с клапаном, что делает необходимым применить иное техническое решение, учитывающее конструктивные особенности российских ССК.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности захвата кернового материала горных пород с разнообразными физико-механическими свойствами при бурении скважин с использованием российских съемных керноприемников.
Для решения поставленной задачи в съемном керноприемнике, включающем захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески, подпружиненный клапан, размещенный 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, подпружиненный клапан размещен на стержне, скрепленном с помощью резьбы с установленным в полости верхнего и нижнего переходников кольцевым кронштейном, оснащенным буртиком для посадки клапана при срабатывания устройства.
Благодаря тому, что в полости верхнего и нижнего переходников установлен на кольцевом кронштейне стержень, создана возможность разместить на нем в полости между впускными и выпускными отверстиями подпружиненный клапан.
Благодаря наличию в кольцевом кронштейне буртика с проходным отверстием, диаметр которого меньше наружного диаметра клапана, имеется возможность полного перекрытия проходного отверстия клапаном при опускании последнего под воздействием гидравлического напора резко возрастающего потока жидкости.
Предлагаемый съемный керноприемник в сборе показан на рисунке (продольный разрез).
Съемный керноприемник включает в себя захватную головку 1 в виде грибка, запорный узел 2, приводной узел кернозахватного устройства (детали 3-11), узел подвески 12, керноприемный узел (детали 13 и 14) и кернозахватное устройство (детали 15-18).
Приводной узел кернозахватного устройства состоит из соединенных резьбой верхнего переходника 3 с впускными отверстиями и нижнего переходника 4 с выпускными отверстиями, в полости которых размещен кольцевой кронштейн 5, в углублении которого на резьбе установлен стержень 6 с подпружиненным пружиной 7 клапаном 8, и подвесного кольца 9, скрепленного срезным элементом 10 с наружной поверхностью верхнего переходника 3.
Клапан в исходном положении (показано на рисунке) устанавливается вращением стержня в резьбе кольцевого кронштейна и фиксируется гайкой, узел в сборе (детали 5-8) размещается в полости нижнего переходника 4, после чего переходники 3 и 4 соединяются по резьбе, плотно зажимая кольцевой кронштейн 5. Диаметр проходного отверстия (полости) кольцевого кронштейна делается меньше наружного диаметра подпружиненного клапана. В нижней части кронштейна выполнены отверстия для прохода жидкости и резьбовое отверстие для установки стержня.
Подвесное кольцо 9, имеющее наружный диаметр больше диаметра корпуса ССК и больше внутреннего диаметра опорного кольца 11, крепится к наружной поверхности верхнего переходника 3 одним или несколькими срезными элементами 10 (количество и параметры срезных элементов определяются расчетом). Подвесное кольцо 9 крепится срезным элементом к поверхности переходника 3 на таком расстоянии от буртика, которое достаточно для необходимого перемещения кернозахватного элемента (КЗЭ) при срабатывании кернозахватного устройства.
Узел подвески 12 и керноприемный узел (детали 13 и 14) полностью соответствуют отечественному ССК.
Кернозахватное устройство, включающее кернозахватный элемент 15 в виде втулки с лепестками, свободно установленной во внутренней полости кернодержателя 16, соединенного с патрубком 17 керноприемной трубы 14 с возможностью ограниченного продольного перемещения (например, с помощью винта 18, установленного на патрубке 17, по продольному пазу, выполненному в корпусе кернодержателя 16), не имеет существенных отличий от кернозахватного устройства полезной модели №105661.
Работает предложенный съемный кернопремник следующим образом.
Керноприемник обычным способом вводят в открытую бурильную колонну, зажатую на устье скважины трубодержателем. ССК опускается в жидкости под действием силы тяжести. При бурении глубоких скважин допускается для ускорения доставки керноприемника к забою применять досылку его напором промывочной жидкости при минимальной подаче насоса.
Постановку керноприемника в рабочее положение, то есть посадку подвесного кольца 9 на опорное кольцо 11 в бурильной колонне, желательно производить без подачи промывочной жидкости (под собственным весом). После постановки керноприемника в рабочее положение начинается подача промывочной жидкости в бурильную колонну с плавным увеличением ее от 0 до оптимального количества промывочной жидкости, необходимого для процесса бурения. При этом клапан 8 по стержню 6, сжимая пружину 7, опустится ниже буртика верхнего переходника 3 в расширенную его полость и займет промежуточное положение между буртиками верхнего переходника 3 и кольцевого кронштейна 5, не препятствуя прохождению промывочной жидкости к забою. (Чтобы соблюдалось это обязательное условие, жесткость и силу пружины 7, размеры буртиков, клапана, камеры между буртиками определяют расчетом, а затем проводят наладку и регулирование устройства).
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 жидкости и, соответственно, резкому увеличению скорости движения жидкости в зазорах, на клапан 8 действуют высокий скоростной напор и возросшее усилие от давления жидкости, в связи с чем клапан 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 9 срезается срезной элемент 10, и керноприемник внутри бурильной колонны смещается вниз в пределах предусмотренного конструкцией хода (расстояния от подвесного кольца 9 до упорного буртика на поверхности верхнего переходника 3).
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 для принудительного захвата керна. Под действием возникшего усилия керноприемная труба 14 с патрубком 17 перемещается вниз, толкает кернозахватный элемент 15, лепестки которого, входя в конусную проточку кернодержателя 16, сжимаются внутрь, плотно захватывая керн любого агрегатного состояния. Возможный продольный ход винта 18 внутри паза кернодержателя 16 больше возможного перемещения подвесного кольца 9 при срезании срезного элемента (перемещение подвесного кольца ограничено буртиком на поверхности верхнего переходника 3), поэтому деформация и срезание винта 18 исключаются.
После срабатывания предохранительного клапана, что свидетельствует о срабатывании кернозахватного устройства, насос выключают и съемный керноприемник обычным путем поднимают на поверхность.