СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР

Полезная модель - скважинный прибор относится к устройствам для работы в скважине. Оно может быть использовано для измерения диаметра стенок скважины в буровой технике, для измерения диаметра грунтоцементных свай, для пошагового исследования диаметра отклонений от исходного внутреннего диаметра стенок скважины, наружного диаметра грунтоцементной сваи в скважине, возводимой струйной цементацией грунтов.
Известно устройство для контроля поверхности стенок скважины (а.с. №1629511, МПК Е21В 47/00, от 28.06.88 г.) [1]. Оно содержит герметичный корпус с нишей и пазом, в котором размещен электромеханический привод, силовой шток которого соединен со штоком, выполненным заодно с зубчатой рейкой, зацепленной с основным зубчатым колесом, которое одновременно входит в зацепление с зубчатой рейкой штока.
Штоки через уплотненные отверстия в корпусе устройства выходят наружу.
Шток один соединен с рычагом, имеющим выступ, связанный со стержнем, входящим в отверстие рамки и имеющий выступ.
Рамка шарнирно соединена со штоком, а между рамкой и выступом стержня установлена пружина. Рычаг связан также с выносным зондом, который подпружинен относительно него пружиной, опирающейся на ось.
Основное зубчатое колесо входит в зацепление с дополнительным зубчатым колесом, выполненным заодно с валиком, концы которого через поперечные отверстия в корпусе устройства выходят наружу и соединяются с прижимным рычагом. Корпус соединен с кабелем.
Недостатками устойства является многозвенность конструкции, необходимость иметь герметичный корпус, ограниченное использование, определение дефектных участков на поверхности стенок скважины с одной стороны, для работы в скважине в условиях наличия в ней маловязкой жидкости.
Конструктивно он не рассчитан на работу в условиях наличия в скважине вязкой (например, грунтоцементной смеси при возведении грунтоцементных свай), пошагового диаметра стенок скважины и внешнего диаметра, возводимых в скважине свай на заданных глубинах. Рычажная система ненадежна при работе в скважине с высоковязкой жидкой средой в ней.
Известно устройство для контроля неровностей стенок скважины (а.с. №1645481, МПК Е21В 47/00, от 29.06.88 г.) [2], которое имеет герметичный корпус, в котором размещены привод с силовым штоком, связанным с зубчатой рейкой поршня.
Последний при помощи тяги соединен с качалкой, закрепленной шарнирно на корпусе осью. В расточке качалки установлен сухарь с пальцем для связи качалки с зондом. Пружина соединяет качалку и зонд упругой связью. В корпусе установлено зубчатое колесо в виде зубчатого сектора. Один из его венцов, имеющий больший диаметр, зацепляется с рейкой, а венец с меньшим диаметром входит в зацепление с рейкой. Венец размещен в расточке, выполненной перпендикулярно его оси. Поршень шарнирно соединен с прижимным рычагом, в паз которого входит палец, связанный с корпусом. При срабатывании привода поршень движется вниз. Тяга поворачивает качалку и зонд движется до касания стенки скважины. Зубчатая рейка вращает зубчатый сектор, который своим вторым зубчатым венцом зацепляется с зубьями рейки, который двигается вправо, увлекая за собой рычаг. Устройство имеет те же недостатки, что и прибор [1].
В качестве прототипа заявляемой полезной модели - скажинному прибору выбрано устройство(прибор) (а.с. №1645480, МПК Е21В 47/00, от 26.05.88 г.) [3], как наиболее близкое по технической сущности и положительному эффекту.
Устройство имеет корпус. В герметичной части корпуса размещен механизм привода. Силовой шток механизма привода имеет наконечник, связанный посредством поперечного пальца с тягой, имеющий овальное отверстие. Тяга шарнирно соединена в точке со штангой, которая своим нижним шарниром связана с двуплечим рычагом, установленным в пазу корпуса на оси, а верхним - с двуплечным рычагом в другой точке. Рычаг опирается на ось. Меньшее плечо рычага соединено с пружиной, связанной с корпусом осью. В своей нижней части двуплечие рычаги шарнирно соединены с выносными элементами - зондами. Между выступами рычагов и выносными зондами установлены подпружиненные сухари.
Недостатками устройства являются невозможность использования для пошагового определения диаметра стенок скважины, определения внешнего диаметра возводимой грунтоцементной сваи в скважине, т.к. грунтоцементная составляющая сваи обладает высоковязкими свойствами, не позволяющими погружение устройства и затрудняющие работу выносных зондов. Точность результатов исследования невысока, особенно для пошагового определения степени размытости. Замеры ведутся не по одной оси на стенках скважины поэтому затруднена количественная оценка как внешнего диаметра возводимой в скважине грунтоцементной сваи, так и внутреннего диаметра ствола скважины.
Задачей полезной модели - скважинного прибора является упрощение конструкции, повышение качества исследования и расширение возможностей.
Технический результат полезной модели - скважинного прибора достигается тем, что как и известный, содержащий рычаги, соединенные шарнирной связью, элементы контакта с исследуемой поверхностью (зонды), палец, штангу, размещенную между рычагами, согласно изобретению рычаги и штанга размещены в пальце, использующемся в качестве шарнирного узла для рычагов и жестко соединен со штангой, в пальце выполнены вертикальные сквозные отверстия для установки в нем рычагов и штанги и горизонтальное сквозное отверстие для шпильки, удерживающей их на одной оси относительно друг друга, с возможностью смещения рычагов по типу ножниц, палец имеет длину большую диаметра исследуемого объекта, штанга выполнена Т-образной формы, горизонтальная составляющая имеет щелевидные пазы, вертикальная составляющая - установлена перпендикулярно пальцу, рычаги условно имеют «ручку» - в верхней от пальца части и «нож» - в нижней от пальца части, «ручка» имеет вверху измерительный инструмент - складной метр, помещенный в корпус, с выходом его из корпуса в виде Г-образного торца, закрепленного в щелевидном пазе, имеющемся в горизонтальной составляющей Т-образной штанги, а также основное и дополнительное горизонтальные сквозные отверстия как в рычагах, так и в штанге, которая имеет вдоль вертикальной составляющей мерные риски, нижняя часть рычага - «ножа» выполнена утоненной с внешней стороны и имеет элемент (зонд), выполненный в виде шарового слоя, обращенного к контактной с ним исследуемой поверхности шаровым поясом.
Возможен вариант, когда нижняя часть рычагов и штанги удлинена по принципу телескопической связи с дополнительными элементами.
Возможен вариант, когда палец в шарнирной части устройства выполнен с возможностью изменения длины при использовании его в качестве центратора в стволе скважины.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемая полезная модель - скважинный прибор отличается простотой конструкции, технологичностью в изготовлении и эксплуатации, имеет более широкие возможности использования, так как выполнена по типу ножниц, то есть, рычаги размещены по одной оси в пальце - в шарнирной части, объединяющей рычаги и штангу. Штанга жестко закреплена в шарнирной части в центре пальца, а рычаги закреплены по обе стороны от штанги, то есть, по бокам с возможностью компоновки их по вертикали в транспортном положении, что позволяет упростить как доставку к месту исследования, так и погружение в высоковязкую среду. Наличие штанги в единой с рычагами шарнирной части - пальце и жесткая ее посадка в вертикальном отверстии, при наличии мерных рисок(отсчета глубины погружения) позволяет расширить функциональные возможности штанги по сравнению с прототипом. Штанга является при этом глубиномером, индикатором положения рычагов относительно вертикальной оси погружения прибора, центральной осью в момент замера углов отклонения рычагов независимо друг от друга, местом начала отсчета до исследуемой поверхности. Наличие рычагов, работающих по типу рычагов в ножницах, упрощает конструкцию, увеличивает скорость получения информации о диаметре ствола скважины. За счет того, что штанга и рычаги находятся в одной плоскости в исходном состоянии, на одной оси в шарнирной части и имеют одинаковую длину, прибор способен вести исследования в пошаговом режиме, с регулируемым шагом погружения и снимать точную информацию с симметричных поверхностей одновременно. Прототип измерительные, контактные элементы (зонды) размещает на противоположных поверхностях в разных точках на разных уровнях в горизонтальной плоскости, что искажает данные об истинном качественном состоянии поверхностей и количественной оценке параметров исследуемого объекта. Штанга по прототипу подвижна и закреплена на рычагах для их перемещения. Размещение измерительного инструмента в заявляемом приборе на внешней стороне рычагов в виде складного метра в корпусе, наличие Г-образного торца последнего на выходе из корпуса, а также наличие на штанге горизонтальной части с щелевидными пазами, позволяет упростить процесс получения данных о параметрах углов отклонения рычагов, размере дефекта, внутреннем диаметре ствола скважины или внешнем диаметре грунтоцементной сваи, степени размытости стенок ствола скважины после их контакта с цементной составляющей сваи, возводимой струйным способом. Наличие «ножевой» части рычага конструктивно отличается от ножа ножниц (см. ГОСТ Р 51268-99) и имеет иную функцию. В заявляемом скважинном приборе при эксплуатации его в условиях, когда необходимо измерить диаметр ствола скважины при отсутствии жидкой среды в ней или в присутствии маловязкой среды (буровой раствор), нижняя часть рычага может быть выполнена цилиндрической формы.
В условиях, когда прибор погружается в высоковязкую жидкость или смесь дисперсных компонентов в жидкости, «ножевая» часть рычага должна быть выполнена с образованием утоненной кромки на величину погружения прибора в высоковязкую жидкость или на величину зоны максимального сопротивления этой среды. Утоненная кромка, выполненная не на внутренней части рычага, как у ножниц, а на внешней - позволяет снизить напряжения на границе рычаг-высоковязкая жидкость и позволяет ускорить раскрытие и перемещение «ножниц», осуществить более качественный контакт с исследуемой поверхностью при меньших усилиях прижима, а также увеличить срок эксплуатации элементов прибора.
Зонды - элементы контакта с исследуемой поверхностью выполнены в виде дисков в форме шарового слоя, что позволяет иметь неизменной точку начала отсчета при различном положении раскрытия «ножниц», уменьшить сопротивление среды, уменьшить зону прижима, увеличить точность всех показаний от каждой из исследуемых поверхностей независимо, так как складные метры производят отдельно отсчет от нуля, то есть от штанги каждый до своего рычага.
Наличие горизонтального сквозного отверстия в штанге и рычагах, и шпильки в шарнирном соединении позволяет при необходимости освободить их из пальца, переставив в дополнительные отверстия, и, тем самым, позволяет увеличить в «ручке» длину измерительной части устройства, вести замеры на большей глубине. Но, возможен вариант увеличения длины «ножевой» части и штанги за счет телескопического соединения дополнительных аналогичных элементов.
На основании сравнительных данных с прототипом и другими известными устройствами [1], [2], [3], [4] заявляемый скважинный прибор имеет «новизну», является техническим решением, имеет «изобретательский уровень» и промышленно применим. Устройство испытано в реальных условиях эксплуатации и показало отличные результаты. Предполагается внедрение в г.Перми в ЗАО «ИнжПроектСтрой» и других организациях по РФ, занятых исследованием истинных параметров качества грунтоцементных свай, получаемых струйным цементированием необсаженных стволов скважин.
На фиг.1 схематично показан скважинный прибор в транспортном положении сбоку.
На фиг.2 схематично показаны рычаги в шарнирной части устройства в моменты погружения в цементный раствор и контакта со стенкой скважины, в разрезе.
На фиг.3 показано устройство в момент замера диаметра сваи в дефектном участке скважины, в разрезе.
На фиг.4 показана штанга Т-образной формы, в общем виде.
На фиг.5 показан палец, в разрезе.
На фиг.6 показана шарнирная часть прибора, в разрезе.
На фиг.7 показан рычаг с утоненной внешней («ножевой») частью, в разрезе.
Полезная модель - скважинный прибор (фиг.1-3) содержит два рычага 1, 2 в виде цельнометаллического стержня, например, в нижнем торце которого имеется зонд - элемент контакта 3 с исследуемой поверхностью в виде шарового слоя (диска), а на внешней стороне вверху рычага закреплен измерительный инструмент (типа рулетки), имеющий корпус 4 и складной метр 5 в нем с Г-образной торцевой частью 6 на выходе из корпуса (фиг.2). Рычаги 1 и 2 имеют горизонтальные сквозные отверстия: основное - 7 и дополнительные - 8, 9.
Имеется штанга Т-образной формы с вертикальной 10 и горизонтальной 11 составляющими. На поверхности вертикальной составляющей штанги выполнены мерные риски 12, а в горизонтальной - щелевидные пазы 13 (фиг.4) под Г-образные 6 торцевые части измерительной части (складного метра) 5. В вертикальной составляющей 10 штанги имеются горизонтальные сквозные отверстия: основное - 14' и дополнительное - 14”. Штанга и рычаги размещены на одной горизонтальной оси в шарнирной части 15 и строго вертикально (фиг.6). Штанга в отверстии 16 закреплена жесткой посадкой, а рычаги в отверстии 17 в пальце 18 закреплены с возможностью раскрытия нижней части («ножевой») под действием прилагаемого внешнего усилия по типу ножниц, в результате движения верхних частей рычага («ручек»). Палец выполнен с возможностью изменения длины.
Для уменьшения сопротивления высоковязкой среды в скважине в момент движения рычагов и приближения зондов 3 к исследуемым поверхностям имеется на внешней стороне «ножа» утоненная кромка 19 (фиг.7). Утоненная кромка 19 и зонды 3 имеют оптимальную площадь касания как в высоковязкой жидкости 20 в виде цемента - при изготовлении грунтоцементных свай, например, так и к исследуемой части поверхности скважины 21.
Скважинный прибор работает следующим образом.
На поверхности компонуют устройство. В шарнирную часть 15, представляющую собой палец 18, имеющий первоначальную длину большую, чем диаметр ствола скважины и сквозное отверстие 17, закрепляют штангу (вертикальную составляющую 10) с расчетом жесткой посадки.
Палец может быть выполнен в виде квадратного сечения стержня, трубы и т.д.
Для исследования диаметра ствола необсаженной скважины, незаполненной жидкой средой или заполненной маловязкой жидкостью, компонуют вариант устройства (фиг.2) из рычагов 1, 2 и шарнирной части 15, закрепляющей в отверстии 17 рычаги шпилькой. Для исследования диаметра ствола скважины или границ размытости ствола необсаженной скважины, в результате поступления цементной смеси под большим давлением для получения грунтоцементных свай, в приграничной зоне раздела сред для установления пошагового профиля поверхности и диаметра будущей грунтоцементной сваи компонуют вариант устройства (фиг.3), в котором шарнирная часть дополнена штангой 10, 11, закрепленной жестко между рычагами в отверстии 16. Для снижения сопротивления высоковязкой цементной массы продвижению нижней части «ножей» к исследуемой поверхности с внешней стороны «ножи» имеют утонения в виде уплощенной части материала, из которого выполнен рычаг, или путем закрепления, например, на пруток, трубу - рычаг, листа сваркой из металла или пластмассы с образованием утоненной кромки. Компоновку с вертикально закрепленными шпилькой рычагами и штангой размещают в зоне исследования. Палец 18 устанавливают на края скважины. При этом рычаги и штанга от шарнирной части вниз погружаются в жидкую среду 20 в скважине 21 в транспортном положении. Измерительную часть 5 своим Г-образным торцом закрепляют на горизонтальной составляющей 11 штанги в щелевидных пазах 13, каждый от своего рычага. За счет сквозных отверстий, выполненных вдоль «ручки» рычагов и в штанге, задают глубину погружения рабочей «ножевой» части рычага и пошаговое перемещение рычагов вглубь скважины, определяющие точки контакта зонда 3 с исследуемой поверхностью.
Дополнительное увеличение рабочей части рычагов возможно осуществить путем наращивания аналогичными элементами по телескопическому принципу. Рычаги раздвигают до упора зондов - элементов контакта с исследуемой поверхностью. При этом от штанги измерительный инструмент отсчитывает расстояние от центра до стенки ствола скважины или до выпуклого или вогнутого участка на ее поверхности, причем, одновременно с противоположных сторон, от каждого рычага отдельно. Поскольку зонды находятся в момент контакта на одном уровне и симметрично касаются исследуемых поверхностей, то получают точную информацию об угле раскрытия рычагов и о характере дефекта, а зная первоначальный диаметр ствола скважины и величину раскрытия рычага относительно штанги, легко определяют, что большая величина раскрытия демонстрирует наличие полости в стенке скважины, а меньшая - о наличии сужения в этом месте.
Мерные риски, образующие шкалу на штанге, дают информацию о глубине погружения, то есть об участке исследования.
При перемещении шарнирной части по длине рычагов необходимо учитывать изменение - разницу величины раскрытия рабочей «ножевой» части рычагов «Lн» по отношению к величине раскрытия рычагов в верхней части «ручек» - «Lв».
Для качественной оценки профиля поверхности это неважно, а количественная оценка предполагает пользование коэффициентом пересчета «Кп», дающим возможность получения истинного значения определяемой величины.
Кп=Lн/Lв, где
Кп - коэффициент перерасчета;
Lн - величина раскрытия рычагов в «ножевой» части до контакта с исследуемой поверхностью, см;
Lв - величина раскрытия (в верхней от шарнирной части) рычагов «ручек», см. Исследования показали, что только при равных длинах «ручки» и «ножа» относительно шарнирной части Кп=1. Возможна и такая аналогичная зависимость:
Кп=Lн/Lв, где
Lн - длина «ножа» рычага от шарнирной части до зонда, см;
Lв - длина рычага от шарнирной части до верхнего торца его (длина «ручки»), см.
По сравнению с прототипом и другими известными устройствами того же назначения [1, 2, 3] заявляемая полезная модель имеет следующие преимущества.
Устройство более технологично в сборке и эксплуатации, за счет уменьшения количества элементов в устройстве. Оно позволяет определить не только неровности на стенках ствола скважины, но и диаметр ствола скважины с большой точностью, так как элементы контакта с исследуемой поверхностью расположены на одном уровне на рычагах, одновременно касаются и пошагово с меньшим интервалом по глубине замеряют расстояние от центра до исследуемых поверхностей каждым измерительным инструментом в отдельности.
Устройство конструктивно позволяет производить измерение глубины погружения, диаметр возводимой грунтоцементной сваи, учитывая степень размытости стенок ствола скважины после заполнения ее струйным способом высоковязкой цементной смесью, значительно расширяя возможности по сравнению с известными конструкциями.