КЕРНОЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель «Кернозахватное устройство» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
Известные простые кернозахватные устройства (КЗУ) с кернозахватным элементом (КЗЭ), представляющим собой тонкое разрезное кольцо с конической наружной поверхностью и внутренними кернозахватными выступами (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.199-202, рис.3.9. а, б, в), используемые в одинарных и двойных колонковых снарядах с алмазными и твердосплавными коронками, предназначены для захвата и удержания керна монолитных и слаботрещиноватых горных пород и не обеспечивают подъема кернового материала при бурении в несвязных (дезинтегрированных) горных породах.
Для захвата дезинтегрированного кернового материала в ряде известных колонковых снарядов применяются КЗУ, содержащие КЗЭ в виде направленных вверх упругих пластин. Эти устройства хорошо захватывают дезинтегрированный керн, но не всегда могут надежно захватить монолитный керн при входе скважины из разрушенных в плотные крепкие горные породы. Учитывая встречающуюся в природе изменчивость геологического разреза и частую перемежаемость различных по физико-механическим свойствам горных пород, существует объективная необходимость применения КЗУ, эффективных в разнообразных геологических условиях.
Известно такое кернозахватное устройство по полезной модели №101077, включающее корпус с внутренней конической проточкой и установленное в нем разрезное кернорвательное кольцо с конической поверхностью, оснащенное кернозахватными элементами в виде выступов и размещенных поочередно между ними направленных вверх больших и малых упругих лепестков, причем малые лепестки постоянно направлены внутрь разрезного кернорвательного кольца, а большие лепестки при сборке устройства перед спуском в скважину отжаты во впадины между захватными выступами разрезного кернорвательного кольца и срабатывают только при подъеме снаряда из скважины в конце рейса. Это кернозахватное устройство позволяет с помощью лепестков захватить раздробленный (дезинтегрированный) керн, а с помощью захватных выступов разрезного кольца позволяет захватить и извлечь плотный монолитный керн.
Недостатками известного кернозахватного устройства по полезной модели №101077 являются:
1) Не исключена возможность заклинивания шламом кернорвательного кольца в проточке керноприемной трубы в процессе бурения, что станет причиной совместного вращения его с керноприемной трубой и может привести к разрушению керна малыми упругими лепестками;
2) Неудобство работы при сборке устройства перед спуском его в скважину.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности кернозахватного устройства при бурении скважин в горных породах с разнообразными физико-механическими свойствами.
Решение поставленной задачи осуществляется путем применения для фиксации больших лепестков в отжатом состоянии установленного в корпусе с возможностью свободного вращения кольца с буртиком, взаимодействующим с кольцевой проточкой в корпусе устройства.
Благодаря наличию, малым размерам и возможности свободного вращения фиксирующего кольца резко снижается вероятность заклинивания шламом разрезного кернорвательного кольца, которое может свободно вращаться в корпусе как одно, так и вместе с фиксирующим кольцом.
Благодаря малым размерам фиксирующего кольца упрощается и становится более удобной и надежной операция по отжатию больших лепестков к стенкам разрезного кернорвательного кольца и фиксации лепестков в отжатом положении на поверхности фиксирующего кольца.
Предлагаемое кернозахватное устройство изображено на фиг.1 (КЗУ в сборе - снаряженное к бурению, продольный разрез) и фиг.2 (разрезное кернорвательное кольцо в исходном положении - до сборки кернозахватного устройства, вид сверху).
Кернозахватное устройство состоит (фиг.1) из разрезного кернорвательного кольца 1, размещенного в корпусе 2, соединенном с керноприемной трубой 3, и установленного внутри корпуса фиксирующего кольца 4. Разрезное кернорвательное кольцо имеет наружную коническую поверхность и оснащено внутренними кернозахватными элементами в виде выступов «а» и размещенных поочередно во впадинах между ними упругими малыми лепестками «б» и большими лепестками «в». Малые упругие лепестки «б» постоянно направлены внутрь кернорвательного кольца. Большие упругие лепестки «в» направлены внутрь кернорвательного кольца до полного смыкания только в исходном положении - до сборки кернозахватного устройства (фиг.2). Разрезное кернорвательное кольцо 1 изготавливается из пружинной стали и подвергается термической обработке (закалке) при положении лепестков «б» и «в» «внутрь КЗУ» (это положение изображено на фиг.2).
Перед спуском в скважину большие лепестки с помощью несложного приспособления разжимают в стороны, и фиксирующее кольцо вводят в верхнюю проточку разрезного кернорвательного кольца. При этом большие лепестки фиксируются в отжатом состоянии. Кернорвательное кольцо 1 в сборе с фиксирующим кольцом 4 вставляют в корпус 2, при этом буртик фиксирующего кольца 4 входит в кольцевую проточку корпуса 2, после чего корпус 2 в сборе с кольцами 1 и 4 навинчивают на керноприемную трубу. Для обеспечения возможности свободного вращения кернорвательного и фиксирующего колец их поверхности закаливаются и шлифуются, а при сборке КЗУ смазываются консистентной смазкой.
Благодаря описанным конструктивным особенностям предлагаемое кернозахватное устройство может применяться как с твердосплавными, так и с алмазными коронками (в этом случае деталь 2 является алмазным расширителем), как с одинарными, так и с двойными колонковыми трубами, а также в комплексах со съемными керноприемниками.
При бурении керн поступает внутрь КЗУ. Кернорвательное кольцо за счет взаимодействия малых упругих лепестков «б» с керном прижимается вверх и находится постоянно в положении, показанном на фиг.1. По окончании бурения колонковый снаряд поднимают. За счет взаимодействия с керном малых упругих лепестков «б» (и кернозахватных выступов «а» - если керн монолитный и мало изношен в процессе бурения) кернорвательное разрезное кольцо, сжимаясь, перемещается вниз по внутренней конической поверхности корпуса 2. При этом большие упругие лепестки «в» выходят из контакта с фиксирующим кольцом и, двигаясь под действием сил упругости к центру кернорвательного кольца, стремятся перекрыть внутреннюю полость КЗУ, захватывая весь имеющийся на забое керновый материал. В случае если керновый материал представлен рыхлыми и сыпучими породами, большие лепестки «в» могут максимально сблизиться к центру (это положение показано на фиг.2). Благодаря тому, что длина больших лепестков больше радиуса разрезного кернорвательного кольца, они при сближении к центру образуют фигуру наподобие купола, являющегося достаточно устойчивой конструкцией, способной удержать керновый материал от выпадения из КЗУ при подъеме из скважины.
Извлечение керна из КЗУ на поверхности производится после отвинчивания корпуса 2 от керноприемной трубы 3. Упругие лепестки в случае деформации правят с помощью простого приспособления, поверхности деталей очищаются, смазываются консистентной смазкой, после чего КЗУ может быть собран и использован для следующего рейса.