СЪЕМНЫЙ КЕРНОПРИЕМНИК С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАХВАТОМ КЕРНА

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 или 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).
Многолетнее применение этого КЗЭ в составе двойных колонковых снарядов по патентам РФ №№1411431 и 10770 свидетельствует о его высокой эффективности, однако способы привода КЗУ в действие, использованные в указанных двойных колонковых снарядах, не могут быть применены в снарядах со съемными керноприемниками (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 съемных керноприемников.
Проведенный анализ конструктивных особенностей ССК, применяемых в России и за рубежом, показал, что для использования с принудительным захватом керна более других подходит съемный керноприемник S75, применяемый в КНР (см. прилагаемые к Заявке «Руководство по эксплуатации съемных керноприемников и их вспомогательных устройств», Издание Усинского завода буровых инструментов и геологического оборудования, КНР, 2005 и распечатки сборочного чертежа съемного керноприемника S75 с переведенной на русский язык Спецификацией), включающий захватную головку в виде грибка, запорный узел, подвесное кольцо, подпружиненный в корпусе шток с клапаном, расположенным в полости переходников между впускными и выпускными боковыми отверстиями, узел подвески, керноприемную трубу с кернодержателем и размещенным в нем кернорвателем.
К сожалению, в съемном керноприемнике S75, как и в других ССК, применен кернорватель пружинного типа в виде разрезного кольца, который не обеспечивает надежного захвата керна разрушенных и рыхлых горных пород.
Для решения поставленной задачи (повышение эффективности и надежности захвата кернового материала горных пород с разнообразными физико-механическими свойствами) в съемном керноприемнике, включающем захватную головку в виде грибка, запорный узел, подвесное кольцо, подпружиненный в корпусе шток с клапаном, расположенным в полости переходников между впускными и выпускными боковыми отверстиями, узел подвески, керноприемную трубу с кернодержателем и размещенным в нем кернорвателем, в качестве кернорвателя использован кернозахватный элемент в виде втулки с лепестками, образованными посредством тангенциальных разрезов, кернодержатель соединен с керноприемной трубой с возможностью ограниченного продольного перемещения, клапан на штоке установлен с возможностью регулируемого пружиной продольного перемещения до посадки на дополнительно выполненный буртик в полости переходника с впускными боковыми отверстиями, а подвесное кольцо с наружной поверхностью этого переходника скреплено с помощью срезного элемента с возможностью ограниченного продольного перемещения после среза срезного элемента.
Благодаря тому, что КЗЭ выполнен в виде втулки с лепестками и установлен во внутренней полости кернодержателя свободно, а корпус кернодержателя соединен с керноприемной трубой с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно нее, имеется возможность перемещения КЗЭ вниз от принудительного усилия с осуществлением надежного захвата керна лепестками КЗЭ при взаимодействии их с внутренней конусной проточкой кернодержателя, а при подъеме ССК из скважины имеется возможность извлечения всего кернозахватного узла с кернозахватным элементом в состоянии захвата.
Благодаря тому, что размещенный на штоке клапан подпружинен с возможностью продольного перемещения до посадки на нижний внутренний буртик переходника, выполненный дополнительно между впускными и выпускными боковыми отверстиями, а подвесное кольцо скреплено с переходником с помощью срезного элемента, имеется возможность по окончании рейса путем подачи от поверхностного насоса значительно большего количества промывочной жидкости в сравнении с оптимальной подачей, необходимой в процессе бурения, переместить клапан до посадки на нижний внутренний буртик переходника, и, за счет перекрытия клапаном проходного канала, создать мощное усилие на ССК, которое приведет к срезанию срезного элемента (элементов), установленного в подвесном кольце, к последующему перемещению ССК внутри наружных труб и к созданию принудительного усилия на КЗЭ, который при перемещении вниз по конусной проточке внутри кернодержателя надежно захватит керн любого агрегатного состояния.
Предлагаемый съемный керноприемник в сборе показан на фиг.1 (продольный разрез); в более крупном масштабе приводной узел кернозахватного устройства показан на фиг.2, кернозахватный узел-на фиг.3.
Съемный керноприемник включает в себя захватную головку 1 в виде грибка, запорный узел 2, приводной узел кернозахватного устройства (детали 3-12), узел подвески 13, регулировочный переходник 14, керноприемную трубу 15 и кернозахватный узел (детали 16-19).
Приводной узел кернозахватного устройства (фиг.2) состоит из штока 3, подпружиненного в регулировочной гайке 4 с помощью пружины 5, клапана 6, свободно установленного в нижней части штока 3 и подпружиненного пружиной 7, верхнего переходника 8 с впускными боковыми отверстиями, нижнего переходника 9 с выпускными боковыми отверстиями, подвесного кольца 10, скрепленного с наружной поверхностью переходника 8 одним или несколькими срезными элементами 11, входящими в кольцевую проточку на поверхности переходника 8. Поджатие пружины 5 регулируется с помощью регулировочной гайки 4, поджатие пружины 7 регулируется с помощью гайки 12. Внутри верхнего переходника 8 имеется сужение (верхний буртик), соответствующее диаметру клапана 6. Внутри верхнего переходника 8 ниже впускных боковых отверстий на расстоянии возможного хода клапана 6 при сжатии пружин 5 и 7 выполнено второе местное сужение (нижний буртик), внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра клапана 6. Подвесное кольцо 10 имеет наружный диаметр больше диаметра корпуса ССК и больше внутреннего диаметра опорного кольца 20, установленного в бурильной колонне 21, но меньше внутреннего диаметра бурильной колонны.
Кернозахватный узел ССК (фиг.3) состоит из кернозахватного элемента (КЗЭ) 16 в виде втулки с лепестками, установленного свободно во внутренней полости кернодержателя 17, который соединен с патрубком 18 керноприемной трубы 15 с возможностью ограниченного осевого перемещения (например, с помощью винта 19, установленного на патрубке 18, по продольному пазу, выполненному в корпусе кернодержателя 17).
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 10 на опорное кольцо 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 6 по штоку 3 и вместе с ним, сжимая пружины 5 и 7, опустится ниже верхнего буртика в переходнике 8 и займет промежуточное положение между верхним и нижним буртиками, не препятствуя прохождению промывочной жидкости к забою. /Чтобы соблюдалось это обязательное условие, жесткость и силу пружин 5 и 7, размеры буртиков, клапана, камеры между буртиками определяют расчетом, а затем производят испытания, 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 6 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 (Это положение клапана на фиг.2 показано пунктиром). Происходит гидравлический удар, на керноприемник действует многократно возросшее осевое усилие, от действия которого на подвесное кольцо 10 срезается срезной элемент 11, и керноприемник внутри бурильной колонны смещается вниз в пределах предусмотренного конструкцией хода (расстояния от подвесного кольца 10 до упорного буртика на поверхности верхнего переходника 8). 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 15 с патрубком 18 перемещается вниз, толкает кернозахватный элемент 16, лепестки которого, входя в конусную проточку кернодержателя 17, сжимаются внутрь, плотно захватывая керн любого агрегатного состояния. Возможный продольный ход винта 19 внутри паза кернодержателя 17 больше возможного перемещения подвесного кольца 10 при срезании срезного элемента (перемещение подвесного кольца ограничено буртиком на поверхности переходника 8), поэтому деформация и срезание винта 19 исключаются.
После срабатывания предохранительного клапана, что свидетельствует о срабатывании кернозахватного устройства, насос выключается, и съемный керноприемник обычным путем поднимается на поверхность. Для извлечения поднятого керна от керноприемной трубы отвинчивается кернозахватный узел (детали 16-19). КЗЭ после освобождения от керна, если лепестки не выведены из строя, с помощью простейшей скалки выправляется и может использоваться вновь. Срезной элемент заменяется новым.