УСТРОЙСТВО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ВЫБУРИВАНИЯ КЕРНОВ ИЗ СТЕНОК СКВАЖИН ИЛИ КАНАЛОВ
DEVICE FOR HORIZONTAL CUTTING OF CORES FROM WELL WALLS OR CHANNELS

Изобретение относится к устройствам для выбуривания кернов из стенок скважин или каналов и может быть использовано в области атомной энергетики для выбуривания кернов графита из кладок уран-графитовых реакторов канального типа.
Известен ряд устройств отбора кернов, относящихся к горному делу и предназначенных для отбора кернов горной породы. Например, известно устройство для отбора герметизированного керна из стенки скважины [RU 2251618 С2, МПК Е21В 49/06, опубл. 10.05.2005 г.]. Устройство состоит из корпуса, в котором размещены кинематически связанные между собой электродвигатель, редуктор и бур с кольцевой фрезой. С буром посредством передаточного механизма кинематически связана пробка, перекрывающая керноприемную кассету. Передаточный механизм выполнен в виде поворотного барабана с криволинейным вырезом на его боковой поверхности, отклоняющего пальца и поворотного рычага. Отклоняющий палец скользит в криволинейном вырезе и жестко связан с корпусом бура. Поворотный рычаг одним концом соединен с барабаном, а другим - с пробкой при помощи механической пары - штифта с вилкой.
Устройство работает следующим образом: прибор спускается в скважину, при этом бур, прижимной рычаг находятся в исходном состоянии. По команде с земли в опущенном в скважину керноотборнике включается электродвигатель, который посредством кинематики приводит во вращение кольцевую фрезу и с помощью гидравлики поворачивает прижимной рычаг так, что он прижимает керноприемник к стенке скважины.
Недостаток конструкции заключается в ее больших габаритах, что, учитывая расположение фрезы в верхней части устройства и сужение проходного канала тракта реактора под графитовой кладкой, не позволяет проводить отбор кернов на нижних отметках кладки уран-графитового реактора. Также применение механизма гидравлики в конструкции может привести к попаданию жидкости в графитовую кладку ядерного реактора, что недопустимо из-за требований безопасности ядерных объектов.
Известно также устройство «Стреляющий грунтонос типа БКДГ», предназначенное для отбора точечных проб со стенок скважин [Башлык С.М., Загибайло Г.Т. Бурение скважин. М.: Недра, 1990. - С.266-267], включающее боковой кабельный двухкамерный грунтонос с пороховой камерой. Боковой кабельный двухкамерный грунтонос БКДГ состоит из трех идентичных корпусов, соосно ввинченных в них стволов, несущих бойков, прикрепленных к корпусу поводком-тросиком. Пороховая камера, разделенная перегородкой на две части, после зарядки взрывчатым веществом изолируется со стороны стволов уплотнительными прокладками. При пропускании тока нихромовая спираль запального устройства накаляется и воспламеняет взрывчатое вещество (порох). Полые бойки под давлением газов выбрасываются из стволов и, внедряясь в стенки скважины, заполняются породой.
Недостатком этого устройства является применение взрывчатого вещества. Так как графитовая кладка ядерного реактора является пожаро- и радиационноопасным объектом, применение вышеприведенного стреляющего грунтоноса для извлечения графитовых кернов фактически исключено из-за требований безопасности ядерных объектов. Также применение устройства может привести к существенным повреждениям и разрушениям кернов из-за хрупкости графита.
Известно устройство для получения образцов из стенок скважин или каналов [London, №932.769, Index at acceptance: - classes 85, Al (A: B: D2); and 39 (4), Q1A2. International Classification: E21b (G21), опубл. 14.02.1961], взятое за прототип, содержащее несущую штангу, снабженную приводом вращения, трубчатую фрезу, механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы. Механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из системы шестерен и полумуфт, с помощью которых вращение передается, с одной стороны, на трубчатую фрезу, что обеспечивает ее вращательное движение, с другой стороны, на червяк, обеспечивающий движение трубчатой фрезы вдоль оси, перпендикулярной несущей штанге.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции. При этом устройство не позволяет выбурить керн по всей толщине стенки графитового блока.
Задачей изобретения является разработка устройства, обеспечивающего извлечение целостного керна по всей толщине стенки скважины или канала под углом 90° относительно оси скважины или канала. Отбор целостного керна, соответствующего по размеру толщине графитового блока, необходим для получения экспериментальных данных о послойном распределении физико-механических и радиационных свойств графита по толщине стенки графитового блока.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем несущую штангу, снабженную приводом вращения, трубчатую фрезу, механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы, механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из ведущей конической шестерни, взаимодействующей с установленным на фрезе ведомым полым валом-шестерней, и неподвижной втулки с наружной резьбой, размещенной в полости ведомого полого вала-шестерни, а трубчатая фреза выполнена в виде втулки с внутренней резьбой и навинчена на неподвижную втулку.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство, продольный разрез. На фиг.2 представлена схема выбуривания графитовых кернов из кладок уран-графитовых реакторов с помощью предлагаемого устройства, продольный разрез.
Устройство для отбора кернов состоит из трех основных частей: несущей штанги 1, буровой головки 2, механизма 3 вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы.
Несущая штанга 1 состоит из кожуха 4, внутри которого находится вал 5 с насаженными на концах подшипниками 6, 7. На верхнем конце вала 5 закреплены маховик 8 и накидная гайка 9. Для отсоса графитовой пыли и втягивания керна в верхней части кожуха 4 штанги 1 установлен штуцер 11.
Буровая головка 2 содержит корпус 12, трубчатую фрезу 13, опорную гайку 14.
Механизм 3 вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы включает неподвижную втулку 15 с внешней резьбой, ведущую коническую шестерню 10, прикрепленную к нижнему концу вала 5, и ведомый полый вал-шестерню 16.
Неподвижная втулка 15 размещена во внутренней полости ведомого полого вала-шестерни 16 и вкручена в корпус 12 буровой головки 2.
Трубчатая фреза 13 выполнена в виде втулки с внутренней резьбой и навинчена на неподвижную втулку 15. Трубчатая фреза имеет на одном конце режущую кромку 17, а на другом - два зубца 18 для сцепления с продольными пазами 19 ведомого полого вала-шестерни 16. Опорная гайка 14 служит для исключения скручивания трубчатой фрезы 13 с неподвижной втулки 15.
Ведущая коническая шестерня 10 входит в зацепление с ведомым полым валом-шестерней 16. Кожух 4 штанги 1 вкручен в корпус 12 буровой головки 2. В корпусе 12 буровой головки 2 и в неподвижной втулке 15 имеются каналы 20 для откачивания пыли из зоны бурения и втягивания керна внутрь трубчатой фрезы 13. Устройство оснащено платформой 21, позволяющей регулировать глубину погружения штанги 1 в канал или скважину и выбирать направление бурения.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают на требуемую глубину канала (например, тракта уран-графитового реактора) и фиксируют с помощью платформы 21 на верхних узлах канала (скважины) и задают направление бурения. Вращая маховик 8 (см. фиг.1), приводят в движение ведущую коническую шестерню 10, а через нее ведомый полый вал-шестерню 16. Ведомый полый вал-шестерня 16, вращаясь, приводит в движение трубчатую фрезу 13 в результате сцепления зубцов 18 с продольными пазами 19. Трубчатая фреза 13 свинчивается с неподвижной втулки 15, совершая одновременно с вращением поступательное движение, врезаясь режущей кромкой 17 в графитовый блок 22 (см. фиг.2), и высверливает графитовый керн 23. При этом скорость вращения, глубина входа в графитовый блок 22 зависят от скорости вращения маховика 8. Отсос графитовой пыли и втягивание графитового керна 23 внутрь трубчатой фрезы 13 происходит через систему каналов 20 и штуцер 11.
Задав определенное количество оборотов, достигается определенная глубина врезания трубчатой фрезы 13 в графитовый блок 22. При обратном вращении маховика 8 устройство возвращается в исходное положение, а несущая штанга 1 извлекается вместе с графитовым керном 23 из тракта канала кладки реактора.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет обеспечить выход трубчатой фрезы из корпуса на величину до 85% от диаметра отверстия канала или скважины, что делает возможным применение данного устройства при отборе проб из кладок промышленных уран-графитовых реакторов (ПУГР), которые характеризуются меньшим диаметром отверстий трактов каналов графитовых кладок и более толстыми стенками графитовых блоков относительно других типов уран-графитовых реакторов (РБМК и т.д.).
Заявляемое устройство обеспечивает взятие целостных кернов по всей толщине графитового блока под углом 90° относительно оси расположения графитового блока без применения различных жидкостей, взрывчатых веществ, способов «выламывания», приводящих к разрушению керна и загрязнению графитовой кладки.