Секционный керноприемник с разъемным герметичным соединением типа "ласточкин хвост" в составе керноотборного снаряда
SECTIONAL CORE RECEIVER WITH A DETACHABLE TIGHT DOVETAIL JOINT INCLUDED IN A CORING TOOL

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для получения, разделения и извлечения керна при разборке керноотборного снаряда.
Известен секционный керноприемник керноотборного снаряда (Булатов А.И., Аветистов А.Г. Справочник инженера по бурению. Том 1, -М.; Недра, 1985. с. 320, рис. 2.56 «а»), содержащий узел подвески в верхней части; узел отделения керна в нижней части, в корпусе которого размещен комплект кернорвателей; трубные секции с цилиндрической резьбой на концах для соединения резьбовыми муфтами-центраторами между собой.
Для бурения с отбором керна выпускаются известные керноприемные устройства серий «Недра», «Кембрий», «Тенгиз», «Силур», «РИФ», «МАГ», применяемые при различных по физико-механическим свойствам горных породах и условиях бурения (ГОСТ 21949-76). Состав и общий вид большинства серий однотипен справочному и состоит из корпуса и керноприемника. Керноприемник вверху подвешен на регулировочной головке и оснащен узлом подшипников, предотвращающим его вращение, а внизу оснащен кернорвателями, для отрыва керна от забоя, различной конструкции (цанговыми и лепестковыми в различных сочетаниях). Керноприемные устройства «Недра» и «Силур», а также модификации керноприемных устройств, являющиеся аналогом устройства серии «Недра», типа «КИМ», могут использоваться в одно- и многосекционной сборке длиной 8, 16, 24м. Керноприемные устройства отечественного производства имеют ряд преимуществ по сравнению с известными зарубежными аналогами в том числе, в части конструкции регулировочной головки, которая позволяет выставлять требуемый зазор между башмаком кернорвателя и бурильной головкой без извлечения керноприемника и его подвески; корпус устройства и керноприемник изготавливаются из цельнотянутых легированных стальных труб, а специальная обработка корпуса, в частности муфт-центраторов, снижает интенсивность износа и повышает срок службы соединений устройства в целом. Всё это, по совокупности преимуществ, экономит время на проведение вспомогательных работ, повышает безопасность труда персонала. Другим существенным преимуществом является конструкция эжектора, использование которого позволяет обеспечить высокой процент выноса керна за счет создания в керноприемнике обратной промывки.
Недостатком указанных аналогов является повышенная трудоемкость и высокие временные затраты при сборке-разборке керноприемника в подвешенном состоянии на крюкоблоке буровой установки, связанная с применением цилидрической резьбы как в верхней герметичной крышке корпуса керноснаряда, к которой через подвесную вращающуюся опору присоединен керноприемник, так при соединении трубных секций в полевых условиях ветронагрузок и низких температур при соблюдении высоких требований к соосности соединений. Применение такой резьбы диктуется минимизацией толщины стенки трубы керноприемника для увеличения диаметра выбуриваемого керна, что невозможно реализовать без ущерба более технологичными равнопрочными коническими резьбами для сборки трубных соединений.
Известен керноотборный снаряд (патент РФ №2252307 С1, E21B 25/08, опубл. 20.05.2005 г.), содержащий корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб, коронку с расточкой, керноприемник, выполненный в виде трубы, заполненной изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора, и снабженный в верхней части опорой вращения и регулируемой подвеской, узел отделения керна, включающий цанговый и рычажный кернорватели, соединенные с нижней частью трубы керноприемника байонетным соединением. Благодаря использованию байонетного соединения узла отделения керна с керноприемником сокращается время и трудоемкость разборки снаряда, что уменьшает затраты на его эксплуатацию. Сквозные проточки пазов в байонетном соединении трубы керноприемника ослабляют её прочностные параметры на разрыв и скручивание при приложении знакопеременных нагрузок и при увеличении количества соединений секций уменьшают прочностные характеристики до критических значений. Поэтому техническое решение не предназначено для устройства секционного керноприемника, без дополнительных конструкционных решений.
1
1
Известен секционный керноприемник и устройство для разрезания и удерживания керна при разборке секционного керноприемника (патент РФ №2570690 С1, E21B 25/00, E21B 25/10, опубл. 10.12.2015 г.), принятый за прототип, при этом секционный керноприемник содержит узел подвески в верхней части, узел отделения керна в нижней части, содержащий корпус с размещенным в нем комплектом кернорвателей и гильзу с наружным диаметром D, соединенную с верхней частью корпуса, и трубные секции, оснащенные гильзами в верхней части и соединенные между собой и узлом отделения керна байонетным соединением, включающим два фигурных паза, при этом вертикальный элемент каждого из пазов выполнен в виде углубления на внутренней поверхности стенки гильз, и две бобышки, выполненные в виде прямоугольных выступов, расположенных диаметрально, взаимодействующие с пазами, стопор, фиксирующий байонетное соединение в закрытом положении,  взаимодействующий с бобышкой фигурный паз, выполненный в стенке гильзы от ее верхнего торца и включающий сквозной горизонтальный элемент паза, выполненный в виде дуги, расположенной в диаметральной плоскости, к которому под прямым углом с одной стороны примыкает вертикальный элемент паза, а с другой стороны к сквозному горизонтальному элементу паза примыкает дополнительный сквозной вертикальный паз длиной H, выполненный в стенке гильзы по ее образующей вверх от сквозного горизонтального элемента паза и в рабочем положении байонетного соединения взаимодействующий верхней частью с бобышкой. Устройстводополнительно содержит сменный захват секции в виде патрубка, в нижней части которого выполнена проточка диаметром D с двумя бобышками для соединения с гильзой секции байонетным соединением, а верхняя часть содержит элементы соединения с грузоподъемным механизмом.
Байнетное соединение используется на всех соединениях керноприемника и по всей длине керноприемной трубы. Соединение лишено недостатков, указанных выше для резьбовых соединений, но из-за сквозных проточек пазов в каждом соединении ослабляет конструкцию секционного кернопремника в целом, и требует дополнительных технических решений для её усиления, что ведет к насыщению конструкции дополнительными деталями и её усложнению.   Известно разъемное герметичное соединение типа «ласточкин хвост», предназначенное для самоуплотняющегося соединения деталей трубопровода (патент РФ №2709333 С1, F16B 2/06, F16B 2/22, F16B 7/04, опубл. 17.12.2019 г.), содержащее соединяемые детали трубопровода, выполненные с буртами и средство для предотвращения перемещения деталей соединения, выполненное в виде втулки с внутренним выступом и со съемным фланцем между выступом и буртом одной из соединяемых деталей помещена поджатая пружина, особенностью является то, что между внутренним выступом втулки и буртом второй детали помещена уплотняющая втулка из упругого эластичного материала, охватывающая зону соединения деталей, которая под действием поджатой пружины деформируется от взаимодействия с буртом второй детали и самоуплотняет место соединения. Предлагаемое решение позволяет производить монтаж-демонтаж соединения труб небольшого диаметра вручную без использования специальных инструментов, но не предназначено для соединения секций керноприемника по следующей причине. Внутри керноснаряда, между стенками корпуса снаряда и керноприемника, имеется затесненное пространство, в которое подается буровой раствор, размещение в котором устройства с выступающими наружными частями в горизонтальной плоскости, в частности с буртами и фланцами, затрудняет циркуляцию бурового раствора. Сохранение условий нормальной циркуляции неизбежно ведет к уменьшению диаметра трубных секций керноприемника – полезного объема выбуриваемого отбора керна.
Простота конструкции заявляемого устройства по сравнению с прототипом определяется простотой механики. Так, байонетное соединение имеет две степени свободы и закрывается путем поворота в горизонтальной плоскости и поступательного движения в вертикальной, а затем фиксируется. Соединение типа «ласточкин хвост» закрывается только поступательным движением в горизонтальной плоскости до совмещения выступов соединяемых деталей и фиксируется. Очевидно, что для реализации дополнительных степеней движения, необходимых для фиксации и рассоединения, требуются дополнительные детали и технологические операции по обработке деталей байонетного соединения. Кроме того, осевое совпадение вращательного движения привода бурового станка и вращения при «закрывании – открывании» байонетного соединения, требуют реализации дополнительных конструктивных решений от возможного нештатного рассоединения соединения, которые выражаются в усложнении конструкции дополнительными функциональными деталями и узлами.
С позиции механики, повышение надежности конструкции секционного керноприемника на базе соединений типа «ласточкин хвост» определяется тем, что и вращательные нагрузки, и нагрузки «сжатие-растяжения» - распределены на сопрягаемых поверхностях, а в байонетном соединении – точечно сосредоточены на сопрягаемых поверхностях выступающих бобышек и пазов, в которые они вводятся при закрывании. Совокупность технических решений в прототипе как раз и направлены на повышение надежности байонетного соединения на скручивание и разрыв в условиях знакопеременных нагрузок, путем устранения сквозных проточек пазов соединения в трубных секциях, углового несовпадения их в отдельных секциях при соединении в целое конструкции керноприемника.
Целью предлагаемого изобретения является создание керноприемника с более простым и надежным соединением трубных секций на базе соединения типа «ласточкин хвост».
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции всех узлов соединения в керноприемнике в составе керноснаряда, в том числе узлов отделения подвески, отделения керна и соединения трубных секций, снабженных элементами герметизации от попадания бурового раствора внутрь трубных секций для сохранения естественного порового пространства керна.
Технический результат достигается тем, что секционный керноприемник с разъемным герметичным соединением типа «ласточкин хвост» в составе керноотборного снаряда, заполненный изолирующей жидкостью, содержащий узел подвески в верхней части, узел отделения керна в нижней части, трубные секции, соединенные между собой разъемными механическими соединениями, каждый оборудован фиксатором соединения в закрытом состоянии и элементами герметизации от попадания бурового раствора внутрь трубных секций, особенностью является то, что
все упомянутые разъемные механические соединения указанных узлов и трубных секций выполнены разъемным герметичным соединением типа «ласточкин хвост», в местах соединений выполнены цилиндрические проточки по длине соединяемых деталей, по которым свободно скользит фиксирующая соединение втулка, на проточке, по обе стороны места соединения, закреплены упругие уплотняющие элементы, на которые надвигается втулка, охватывающая соединяемые детали на участке соединения в закрытом состоянии, при этом длина проточек составляет не менее одной целой шести десятых высоты втулки, а глубина проточек подобрана таким образом, чтобы внешний диаметр втулок не выступал за габариты трубных секций керноприемника с учетом толщины уплотняющего элемента и припуска на его деформацию.
На фиг.1 изображен общий вид заявляемого секционного керноприемника в сборе в снаряженном состоянии перед спуском в скважину в составе керноотборного снаряда и на фиг.2, фиг.3 – его объемные изображения соединений секций типа «ласточкин хвост» и керноприемника в сборе соответственно; на фиг.4 изображен сменный узел захвата секций керноприемника грузоподъемным механизмом при сборке – разборке керноприемника и на фиг.5 – его объемное изображение.
1
Секционный керноприемник в сборе (фиг.1), имеющий одинаковый наружный диаметр D по всей его длине без выступающих за его пределы элементов конструкции, состоящий из трубных секций 1, 2 (на фиг.1 показан вариант из двух секций, на фиг.3 из трёх), заполненных изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора, например, таловым маслом (на фиг. 1 масло не показано), содержит узел подвески 3 в верхней части, узел отделения керна 4 с набором кернорвателей (на фиг.1 показан один из возможных аналогичных вариантов набора) в нижней части, расположенный в стакане 5, нижняя часть которого соединена резьбовым соединением с узлом крепления буровой коронки 6, а верхняя - с нижней трубной секцией керноприемника 2 соединением типа «ласточкин хвост» 7, в состав которого входит втулка 8, имеющая свободный ход «вверх-вниз» (на фиг.1 и 4 показана стрелками) с внешним диметром d,  высотой h и толщиной стенки ∆, с внутренними упругими уплотняющими элементами 9, при движении «вниз», положение «закрыто», охватывающая соединяемые детали соответствующих секций 1 и 2 на участке соединения 7 для предотвращения перемещения деталей соединения в закрытом состоянии и проникновения бурового раствора (на фиг.1 раствор не показан) в месте соединения 7 (фиг.2). На фиг.1 и 2 уплотняющий элемент 9 выполнен в виде кольцевых шайб круглого сечения диметром d, вставленных в полуовальные проточки соответствующих трубных секций 1 и 2. Нижняя цилиндрическая часть узла подвески 2, наружный диаметр которого совпадает с диаметром D трубных секций керноприемника 1 и 2, также имеет аналогичное соединение типа «ласточкин хвост» 7, ответная часть которого расположена на первой верхней трубе секции 2 и зафиксирована втулкой 8 с уплотняющими элементами 9. Независимо от количества секций в керноприемнике, все они соединены между собой вышеописанными механическими соединениями 7 с фиксаций 8 и герметизаций уплотняющим элементом 9 от попадания бурового раствора в рабочем состоянии, как показано на фиг.2.
Сменный технологический узел - захват 10 (фиг.4) предназначен для подъема секции 2 при ее отделении от секционного керноприемника и последующего спуска секции 2 с вышечного блока на приемные мостки буровой установки (не показаны). С верхней крышкой захвата 10 соединена проушина с отверстием 11 для соединения с грузоподъемным механизмом (не показан). Конструктивно, соединение нижней цилиндрической части захвата 10 и секции 2, представляет собой аналог соединения 7 нижней части узла подвески 2 и верхней части секции 11, с последующей фиксацией и герметизацией соединения.
1
Для свободного хода «вверх-вниз» каждой фиксирующей втулки 8 в положение «открыто-закрыто» (фиг.4) в месте соединения каждой соединяемой пары секций выполнены цилиндрические проточки высотой не менее 1,6h (на фиг.4 показано суммарной высотой 2h), так, чтобы обеспечить доступ к месту соединения и возможность соединения-рассоединения соединения «ласточкин хвост» в горизонтальной плоскости. Глубина проточки трубных секций 1 и 2 составляет δ <Δ+ d/2, то есть складывается из толщины стенки Δ втулки и радиуса упругого уплотнительного кольца d/2 с учетом припуска на его деформацию, при этом внешний диаметр d втулок 8 не должен превышать внешний диаметр керноприемника D. Таким образом, втулки в местах соединений будут незначительно утоплены по внешнему габариту керноприемника, как показано на фиг.1, 2, 3, 4, 5. Последнее условие связано с тем, что при погружении-подъеме керноприемника в керноприемном снаряде фиксирующие втулки 8 не будут задевать внутренние стенки корпуса снаряда, тем самым предотвращая возможность нештатного раскрытия соединения 7 за счет трения о стенки. На всех секциях керноприемника, на наружной поверхности ниже мест соединений (фиг.1,4), выполнены технологические двухсторонние поперечные пазы 12 для заведения в них опорной вилки (на фиг.1 и 2 не показана) необходимой для закрепления (вывешивания) секции на торце корпуса керноприемного снаряда по мере извлечения керноприемника из снаряда и отделения секций друг от друга.
Заявляемый секционный керноприемник работает следующим образом.
По мере совершения рейса керноотборного снаряда по отбору керна, последний поступает в секции 1 и 2 снаряженного керноприемника (фиг.1), выдавливая из них изолирующая жидкость через нижнюю часть снаряда в пространство между выбуриваемом керном и буровой головкой, тем самым исключая попадание бурового раствора в керноприемник. Для выбуривания керна диаметром 80мм, керноприемник выполнен из дюралюминиевой трубы марки Д16Т с внешним диаметром D=105мм, толщиной стенки 10мм, Элементы уплотнения в виде кольцевых резиновых шайб круглого сечения закреплены в кольцевых проточках на каждой соединяемой детали таким образом, чтобы в закрытом положении соединения 7 они находились внутри фиксирующей втулки 8 (фиг.1 и 2), например, с двух сторон от места соединения на расстоянии 15мм каждой. Проведенные авторами испытания показали, что разгерметизация соединения наступала при давлениях свыше 1,3 МПа, что 35% превышает давления в скважине на рабочих глубинах.
1
Как вариант, для повышения надежности герметичности соединения, на соединяемых деталях секций 1 и 2 предусматривается закрепление нескольких ниток кольцевых резиновых шайб. При этом фиксирующая втулка 8, высотой h=120мм, внешним диаметром d=104,5мм, толщиной стенки Δ=2мм, сдвигается вниз от узла подвески 3 по цилиндрической проточке трубной секции 1 длиной 192мм, до упора - в выступ внешнего габарита верхней секции 1, охватывая соединяемые детали на участке соединения в закрытом состоянии. Аналогично, соответствующая втулка 8 фиксирует соединение типа «ласточкин хвост» нижней секции 2 и сдвинута вниз к стакану 5 по проточке до упора в выступ внешнего габарита нижней секции 2.
После завершения рейса с отбором керна и подъема керноотборного снаряда на поверхность его разбирают, обеспечивая доступ к верхней части верхней секции 1 (фиг.1) секционного керноприемника, закрепляя секцию 1 на торце корпуса керноприемного снаряда путем введения опорной вилки в поперечные пазы 12, отделяют узел подвески 3, рассоединяя соединение типа «ласточкин хвост» 7, для чего снимают фиксацию, сдвигая вверх втулку 8 выше уровня соединения 7, ударами вспомогательного инструмента, например, молотка, через оправку в торец втулки 8. Затем выводят ответную часть соединения типа «ласточкин хвост» узла подвески 3 из зацепления, сдвигая её в горизонтальной плоскости. После демонтажа узла подвески 3 к верхней секции 1 присоединяют захват 10 (фиг.4), для чего производят аналогичные, но в обратной последовательности, операции по сборке деталей 7, 8, 9 соединения типа «ласточкин хвост».
Далее, подцепив крюк грузоподъемного механизма за проушину 10 захвата 11 (фиг.4) поднимают секционный керноприемник до полного извлечения верхней секции 1 из корпуса керноотборного снаряда (не показан). Следующую секцию 2 аналогично закрепляют на торце корпуса керноотборного снаряда и производят её отделение от верхней секции 1. Порядок и состав операций по снятию фиксации соединения 7 и рассоединению секций аналогичен выше изложенному порядку и составу операций по отделению узла подвески 3 от верхней секции 1. Последующим подъёмом верхней секции 1 образуют зазор между торцами секций 1 и 2, обеспечивая доступ к керну (не показан). Высота образовавшегося зазора должна соответствовать возможности обеспечивать конкретное использование любого известного устройства для разрезания колонки керна и его удержания при разборке керноприемника, например, пластинчатым ножом и последующим его смыканием для удержания, описанного в прототипе. После отделения керна от колонки и обеспечения его удержания в секции 1 в закрытом состоянии, последнюю спускают грузоподъемным механизмом с вышечного блока по желобу на приемные мостки буровой установки (не показаны) для последующей обработки.
С целью контроля надежности соединения были проведены испытания на разрыв соединения типа «ласточкин хвост» секций керноприемника, изготовленных из вышеописанных дюралюминиевых труб марки Д16Т, диаметром 105мм, толщиной стенок 10 мм, при этом разрывные нагрузки составили порядка 1500 кг, что значительно превышает реальные нагрузки, возникающие на всех этапах эксплуатации в узлах соединений секций керноприемника.
Преимущества соединения типа «ласточкин хвост» по сравнению с аналогами позволяет при обработке не извлекать керн из секций кернопремника и раскладывать его по 1 метру в футляры на приемных мостках, а с учетом дешевизны, простоты и надежности нарезать и соединять секции в керноприемнике по одному метру и непосредственно при разборке использовать их в качестве футляров для доставки и последующей автоматизированной обработке в лаборатории кернохранилища, так как оборудование настроено на стандартную обработку участка керна длиной один метр. Кроме того, каждая дополнительная раскладка керна, ведёт к потере геологической информации, особенно неплотных, сыпучих, участков керна.