КЕРНООТБОРНЫЙ СНАРЯД
CORE SAMPLER

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для бурения с отбором керна и с сохранением пластовой среды.
Известен керноотборный снаряд (патент РФ №2049220 С1, Е21В 25/08), содержащий
- корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб и коронкой,
- кожух в виде трубы с верхним и нижним узлами герметизации, размещенный в корпусе и снабженный регулируемой подвеской, узлом поджатия и стаканом, установленным в коронке;
- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, размещенной в кожухе,
- узел отделения керна от забоя,
- регистраторы захода керна,
- изолирующую жидкость в полостях кожуха и керноприемника.
к
К недостаткам известного керноотборного снаряда следует отнести несовершенство и сложность конструкции, обусловленные наличием кожуха - дополнительной третьей трубы, размещенной в зазоре между корпусом и керноприемником. Тем самым, у известного керноотборного снаряда снижается один из существенных эксплуатационных параметров, влияющих на успешность выноса керна, а именно коэффициент керноотбора К - величина, равная отношению диаметра керна к диаметру скважины.
Известен керноотборный снаряд (патент РФ №2252307 С1, Е21В 25/08), содержащий
- корпус с верхним переводником и коронкой в нижней части,
- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части регулируемой подвеской и опорой вращения, содержащей корпус с подшипниками и осью,
- верхний узел герметизации, содержащий пробку с уплотнением, перекрывающую канал, выполненный в оси опоры вращения;
- узел отделения керна от забоя, включающий гильзу, связанную байонетным соединением с нижней частью керноприемника, и установленные в гильзе подвижные рычажковый и цанговый кернорватели и втулку между ними;
- нижний узел герметизации в виде разрушаемой диафрагмы, установленной в стакане, соединенном с нижней частью гильзы и подвижно взаимодействующим с расточкой, выполненной в коронке;
- причем полость керноприемника заполнена изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора.
Недостатком известного керноотборного снаряда является возможность снижения выноса керна, связанная с его заклиниванием в узле отделения керна, особенно при его отборе в разрезах скважин с чередованием пластов, перемежающихся по прочности и представленных как крепко- и среднесцементированными породами, так и весьма трещиноватыми рыхлыми и рассыпающимися породами. Это обусловлено тем, что нагрузка от веса колонки керна, поступившей в процессе бурения в керноприемник, воспринимается на забое вновь формируемым керном. Поэтому при входе коронки в пласт, сложенный неконсолидированными породами, предел текучести которых меньше напряжений сжатия, возникающих от давления выше расположенной колонки керна, возможно смятие вновь выбуриваемого керна и вместо сформированной цилиндрической колонки в отверстие бурголовки будут поступать мелкие обломки и сыпучая масса разрушенной горной породы. А так как от давления вышерасположенной колонки керна эта бесформенная масса будет расширяться, увеличивая свой диаметр, то после выхода из отверстия бурголовки в стакан и далее в узел отделения керна, где установлены кернорватели, эта сыпучая масса, расширяясь, заполнит все зазоры, и за счет как внутреннего трения между частицами разрушенной горной породы, так и за счет трения о стенки кернорвателей и их рабочие элементы, будет препятствовать свободному продвижению вновь выбуриваемого керна.
В результате этого процесса в бурголовке и нижней зоне узла отделения будет сформирована уплотненная пробка и произойдет ее заклинивание с герметичным перекрытием входа в керноприемник, заполненный изолирующей жидкостью. А поскольку керноприемник оснащен верхним узлом герметизации, дальнейшее продвижение пробки в керноприемник даже при увеличении нагрузки на керноотборный снаряд будет невозможно, так как изолирующая жидкость, будучи практически несжимаемой и не имеющей возможности излива из керноприемника, будет препятствовать перемещению заклиненной пробки. Поэтому дальнейшее бурение будет происходить сплошным забоем, так как вновь выбуриваемый керн будет разрушаться путем перетирания на забое образовавшейся пробкой и размываться струями бурового раствора, превращаясь в шлам, в результате чего будет снижен вынос керна.
Аналогичная ситуация, но уже выше узла отделения керна, т.е. непосредственно в керноприемной трубе, может возникнуть и в случае, когда пробка, образовавшаяся из разрушенной горной породы в зоне узла отделения керна, будет негерметична и благодаря возможности перетока изолирующей жидкости навстречу поступающему керну из керноприемника в скважину может быть перемещена вновь выбуриваемым керном из зоны узла отделения в нижнюю часть керноприемника. Но за время выбуривания керна на всю длину керноприемной трубы пробка, находящаяся в верхней части колонки керна, может увеличить свои размеры, в результате чего может произойти ее заклинивание уже непосредственно в керноприемной трубе. Это увеличение размеров пробки может быть обусловлено наличием в составе разрушенной горной породы, образующей пробку, мелких обломков и шлама, состоящих, например, из глин монтморрилонитовой группы, склонных при гидратации к набуханию. Будучи обильно смоченными буровым раствором, у которого при определенных обстоятельствах может измениться водородный показатель рН, вследствие чего раствор потеряет свою нейтральность по отношению к разбуриваемым породам, этот шлам и обломки глин будут набухать, увеличивая свои размеры и размеры пробки. В результате этого пробка, увеличиваясь в диаметре, герметично перекроет сечение керноприемной трубы, после чего ее перемещение станет невозможным из-за препятствующей этому изолирующей жидкости, заполняющей керноприемник, которая не имеет возможности выхода ввиду снабжения керноприемника верхним узлом герметизации.
Задачей изобретения является создание керноотборного снаряда, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности его работы и увеличение выноса керна.
Для обеспечения этих результатов в известном керноотборном снаряде, содержащем корпус с верхним переводником и коронкой в нижней части, керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, содержащей корпус с подшипниками и осью, и регулируемой подвеской, содержащей соединенную с корпусом снаряда гайку и стопор; верхний узел герметизации, содержащий пробку, перекрывающую канал, выполненный в оси опоры вращения; узел отделения керна от забоя, включающий гильзу, связанную байонетным соединением с нижней частью керноприемника, и установленные в гильзе подвижные верхний рычажковый и нижний цанговый кернорватели и втулку между ними; нижний узел герметизации в виде разрушаемой диафрагмы, установленной в стакане, соединенном с нижней частью гильзы и подвижно взаимодействующим с расточкой, выполненной в коронке, полость керноприемника заполнена изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора.
Согласно изобретению
керноприемник дополнительно снабжен переливными клапанами, верхний из которых выполнен в виде подпружиненного шарикового клапана, установленного в сквозном радиальном отверстии, выполненном в оси опоры вращения, установленной с возможностью продольного перемещения в резьбовой втулке, взаимодействующей с гайкой и стопором регулируемой подвески, причем в исходном положении шариковый клапан расположен ниже расточки, выполненной в резьбовой втулке и гидравлически соединенной с полостью корпуса сквозными радиальными отверстиями, выполненными в стенке резьбовой втулки, а сверху и снизу шарикового клапана в канавках, выполненных на наружной поверхности оси, установлены кольцевые уплотнительные элементы, между резьбовой втулкой и корпусом опоры вращения расположена пружина сжатия, нижний переливной клапан расположен в гильзе узла отделения керна от забоя и содержит кольцо из эластичного материала, установленное в проточке, выполненной на наружной поверхности втулки и гидравлически соединенной с полостью гильзы сквозными радиальными отверстиями, выполненными в диаметральной плоскости в стенке втулки, причем в исходном положении проточка на втулке расположена ниже сквозных радиальных отверстий, выполненных в диаметральной плоскости в стенке гильзы и гидравлически соединяющих полость гильзы с полостью корпуса, а между верхним торцом рычажкового кернорвателя и нижним торцом керноприемника в гильзе в исходном положении выполнен зазор, величина которого не менее величины расстояния по продольной оси керноприемника между сквозными радиальными отверстиями и верхней кромкой проточки и не более величины расстояния между сквозными радиальными отверстиями и нижней кромкой проточки, в канавках, выполненных на наружной поверхности втулки, установлены кольцевые уплотнительные элементы, в исходном положении верхний из которых размещен над сквозными отверстиями гильзы, средний размещен между сквозными отверстиями гильзы и проточкой втулки, а нижний размещен под проточкой втулки,
На фиг.1 изображен общий вид заявляемого керноотборного снаряда в исходном положении перед спуском в скважину; на фиг.2 - общий вид нижнего переливного клапана в рабочем положении, на фиг.3 - общий вид верхнего переливного клапана в рабочем положении.
Керноотборный снаряд (фиг.1) содержит корпус 1 в виде трубы, оснащенной в верхней части переводником 2, а снизу - коронкой 3. В полости 4 корпуса 1 размещен керноприемник 5 в виде трубы, верхний конец которого оснащен опорой вращения 6, включающей корпус 7, неподвижно соединенный с керноприемником 5, и ось 8, установленную с возможностью вращения в корпусе 7 на подшипниках 9. В оси 8 выполнен центральный канал 10, гидравлически сообщающийся с полостью 11 керноприемника 5 и герметично закрытый пробкой 12, с которой соединено монтажное кольцо 13, предназначенное для строповки керноприемника 5 крюком подъемной лебедки (не показан) при его установке и извлечении из корпуса 1.
Над опорой вращения 6 в полости 4 корпуса 1 размещена регулируемая подвеска 14 керноприемника 5, включающая резьбовую втулку 15, соединенную с гайкой 16, неподвижно установленной в переводнике 2. В исходном положении резьбовая втулка 15 фиксируется от вращения относительно гайки 12 стопором 17. В гайке 16 выполнены циркуляционные отверстия 18, а в стенке резьбовой втулки 15 - сквозные радиальные отверстия 19, гидравлически соединяющие расточку 20, выполненную в отверстии 21 резьбовой втулки 15, с полостью 4 корпуса 1. Верхняя часть оси 8 установлена с возможностью продольного перемещения в отверстии 21. Между резьбовой втулкой 15 и корпусом 7 опоры вращения 6 на оси 8 установлена пружина сжатия 22, в исходном положении отжимающая вниз ось 8 и керноприемник 5, соединенный с осью 8 посредством регулируемой подвески 14.
В сквозном радиальном отверстии 23, выполненном в оси 8, установлен шариковый клапан 24, сверху и снизу которого в канавках 25, выполненных на наружной поверхности оси 8, установлены кольцевые уплотнительные элементы 26, причем в исходном положении шариковый клапан 24 расположен ниже расточки 20, выполненной в резьбовой втулке 15.
К нижнему концу керноприемника 5 посредством байонетного соединения 27 герметично присоединен узел 28 отделения керна (не показан) от забоя скважины, включающий гильзу 29 и установленные в ней с возможностью перемещения рычажковый кернорватель 30 и цанговый кернорватель 31, между которыми в гильзе 29 установлена с возможностью перемещения втулка 32. Нижний переливной клапан 33 расположен в гильзе 29 и содержит кольцо 34 из эластичного материала, установленное в проточке 35, выполненной на наружной поверхности втулки 32 и гидравлически соединенной с полостью гильзы 29 сквозными радиальными отверстиями 36, выполненными в стенке втулки 32. В исходном положении проточка 35 на гильзе 29 расположена ниже сквозных радиальных отверстий 37, выполненных в диаметральной плоскости в стенке гильзы 29 и гидравлически соединяющих полость гильзы 29 с полостью 4 корпуса 1. На наружной поверхности втулки 32 выполнены канавки 38, в которых установлены кольцевые уплотнительные элементы 39, 40 и 41. Причем в исходном положении верхний уплотнительный элемент 39 размещен над сквозными отверстиями 37, средний уплотнительный элемент 40 размещен между сквозными отверстиями 37 и проточкой 35, а нижний уплотнительный элемент 41 размещен под проточкой 35.
Между верхним торцом рычажкового кернорвателя 30 и нижним торцом керноприемника 5 в гильзе 29 в исходном положении выполнен зазор А, величина которого не менее величины расстояния по продольной оси керноприемника 5 между сквозными радиальными отверстиями 37, выполненными в стенке гильзы 29, и верхней кромкой проточки 35, выполненной на наружной поверхности втулки 32, и не более величины расстояния по продольной оси керноприемника 5 между сквозными радиальными отверстиями 37, выполненными в стенке гильзы 29, и нижней кромкой проточки 35, выполненной на наружной поверхности втулки 32.
Нижний узел герметизации 42 выполнен в виде разрушаемой диафрагмы 43, герметично перекрывающей полость 11 керноприемника 5 снизу и установленной в стакане 44, соединенном с нижней частью гильзы 29 и подвижно взаимодействующим с расточкой 45, выполненной в коронке 3. Полость 11 керноприемника 5 заполнена изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора.
Заявляемый керноотборный снаряд работает следующим образом.
В исходном положении (фиг.1) снаряд на колонне бурильных труб (не показана спускают в скважину. При этом поступление бурового раствора в полость 11 керноприемника 5 будет невозможно благодаря
верхнему узлу герметизации в виде пробки 12, герметично перекрывающей центральный канал 10 оси 8 опоры вращения 6;
шариковому клапану 24, герметично перекрывающему извне доступ жидкости в керноприемник 5 в зоне регулируемой подвески 14;
нижнему переливному клапану 33, у которого кольцо 34 из эластичного материала герметично перекрывает извне доступ жидкости в керноприемник 5 в зоне узла отделения 28;
диафрагме 43, герметично перекрывающей извне доступ жидкости в керноприемник 5 через входное отверстие стакана 44.
Высокая динамика спуско-подъемных операций может вызвать скачки давления под спускаемым снарядом, особенно в случаях, когда на стенках скважины в интервалах коллекторов образовалась глинистая корка, которая налипает на коронку 3, образуя из нее поршень. Однако это повышение давления в стволе скважины не вызовет вытеснение изолирующей жидкости из полости 11 из-за того, что для срабатывания шарикового клапана 24 необходимо осуществить перемещение керноприемника 5 вверх, которое произойдет только при заклинивании керна в полости 11. А для срабатывания нижнего переливного клапана 33 необходимо осуществить перемещение компоновки кернорвателей 30 и 31 и втулки 32 вверх, которое произойдет только при заклинивании керна в узле отделения 28.
Бурение с отбором керна производят, включив вращение и подачу снаряда, с промывкой скважины буровым раствором, нагнетаемым с поверхности на забой скважины. По мере выбуривания керн через керноприемное отверстие коронки 3 поступает в отверстие стакана 44, разрывая диафрагму 43.
В случае, когда отбор керна производится в разрезах скважин с чередованием пластов, перемежающихся по прочности, возможно образование уплотненной пробки, представленной мелкими обломками и сыпучей массой разрушенной горной породы в нижней части керноприемника 5. Это может быть обусловлено тем, что нагрузка от веса колонки керна, поступившей в процессе бурения в керноприемник 5, воспринимается на забое вновь формируемым керном. Поэтому при входе коронки 3 в пласт, сложенный неконсолидированными породами, предел текучести которых меньше напряжений сжатия, возникающих от давления выше расположенной колонки керна, возможно смятие вновь выбуриваемого керна, и вместо сформированной цилиндрической колонки в отверстие бурголовки 3 будут поступать мелкие обломки и сыпучая масса разрушенной горной породы. А так как от давления выше расположенной колонки керна эта бесформенная масса будет деформироваться и, расширяясь, увеличивать свой диаметр, то в результате этого процесса в бурголовке 3 и нижней зоне узла отделения 28 будет сформирована уплотненная пробка. Произойдет ее заклинивание с герметичным перекрытием входа в керноприемник 5, заполненный изолирующей жидкостью. Жидкость, будучи практически несжимаемой и не имеющей возможности излива из керноприемника, будет препятствовать перемещению заклиненной пробки. Однако, благодаря тому, что между торцами кернорвателя 30 и керноприемника 5 выполнен зазор А, эта пробка переместит кернорватели 30 и 31 вместе с втулкой 32 вверх на величину зазора А.
Вследствие того, что величина зазора А составляет не менее величины расстояния по продольной оси керноприемника 5 между сквозными радиальными отверстиями 37, выполненными в стенке гильзы 29, и верхней кромкой проточки 35, выполненной на наружной поверхности втулки 32, и не более величины расстояния по продольной оси керноприемника 5 между сквозными радиальными отверстиями 37, выполненными в стенке гильзы 29, и нижней кромкой проточки 35, выполненной на наружной поверхности втулки 32, перемещением последней проточка 35 совместится с отверстиями 37. Благодаря этому, даже если образовавшаяся пробка герметично перекроет керноприемное отверстие коронки 3, преграждая излив изолирующей жидкости из полости 11 противотоком входящему керну, и давление в керноприемнике 5 начнет возрастать, усилием от повышения давления изолирующей жидкости в полости 11 кольцо 34, упруго расширяясь, откроет отверстия 36, что гидравлически соединит полости 11 и 4 через отверстия 36, проточку 35 и отверстия 37 для перетока изолирующей жидкости из полости 11 в полость 4. Тем самым давление в полости 11 будет снижено, что обеспечит беспрепятственное перемещение колонки выбуриваемого керна с образовавшейся пробкой в полость 11 керноприемника 5.
Аналогичная ситуация, но уже выше узла отделения 28, т.е. непосредственно в керноприемнике 5, может возникнуть и в случае, когда пробка, образовавшаяся из разрушенной горной породы в зоне узла отделения 28, переместится вновь выбуриваемым керном из зоны узла отделения 28 в керноприемник 5, где произойдет ее заклинивание ввиду постепенного увеличения размеров пробки. Этот процесс может быть обусловлен наличием в составе разрушенной горной породы, образующей пробку, мелких обломков и шлама, состоящих, например, из глин монтморрилонитовой группы, склонных при гидратации к набуханию. Будучи обильно смоченными буровым раствором, у которого при определенных обстоятельствах может измениться водородный показатель рН, вследствие чего раствор потеряет свою нейтральность по отношению к разбуриваемым породам, этот шлам и обломки глин будут набухать, увеличивая свои размеры и размеры пробки. В результате этого пробка, увеличиваясь в диаметре, герметично перекроет сечение керноприемника 5, после чего ее перемещение станет невозможным ввиду препятствующей этому изолирующей жидкости, давление которой в полости 11 начнет возрастать. Но так как подача снаряда вниз при бурении не прерывается, то возрастающей нагрузкой колонка выбуриваемого керна с заклиненной пробкой в керноприемнике 5 начнет перемещать последний вверх, сжимая пружину 22 до совмещения шарикового клапана 24 с расточкой 20. Усилием от давления изолирующей жидкости шарик клапана 24 будет отжат, благодаря чему будет осуществлен переток изолирующей жидкости из полости 11 керноприемника 5 в полость 4 корпуса 1. Тем самым давление в полости 11 будет снижено, что обеспечит беспрепятственное перемещение колонки выбуриваемого керна с образовавшейся пробкой в полость 11 керноприемника 5, после чего последний усилием от пружины 22 будет возращен в исходное положение.
Таким образом, благодаря дополнительному снабжению заявляемого керноотборного снаряда верхним и нижним переливными клапанами исключается:
- возможность заклинивания колонки выбуриваемого керна пробкой, образовавшейся из разрушенной горной породы в зоне узла отделения узла;
- возможность заклинивания колонки выбуриваемого керна пробкой, образовавшейся из разрушенной горной породы в керноприемнике узла отделения узла.
Это способствует повышению выноса и качества керна, так как обеспечивается перелив изолирующей жидкости из полости керноприемника в полость корпуса снаряда.