КОЛОНКОВЫЙ НАБОР

Полезная модель относится к горной промышленности, а именно к буровому инструменту для вращательного бурения и применяется для срыва и удержания керна при бурении геолого-разведочных скважин скважин другого назначения алмазными коронками в монолитных и слабо трещиноватых породах.
Из предшествующего технического уровня известен кернорватель, состоящий из корпуса, рвательного кольца и алмазной коронки. В корпусе кернорвателя имеется внутренняя коническая проточка, заканчивающаяся буртиком, в который упирается рвательное кольцо. Наружняя поверхность рвательного кольца также выполнена конической с углом конусности, эквивалентным конусности внутренней поверхности корпуса кернователя. При бурении рвательное кольцо находится вверху конусной проточки корпуса кернорвателя. Керн, проходящий через рвательное кольцо, как правило, захватывает его. При этом своей внешней поверхностью рвательное кольцо трется о внутреннюю поверхность кернорвателя. В связи с этим к рвательному кольцу предъявляются высокие требования по прочности, а к его внешней поверхности - высокая частота обработки.
Заклинивание и срыв керна происходит при подъеме колонковой трубы вверх. Удержание керна осуществляется силами обжатия рвательного кольца, возникающими при ее перемещении вниз [В.П. Онищин «Инструмент для алмазного бурения» Ленинград, Недра. 1975 с.44-46].
К недостаткам известного устройства относятся наличие трения между внешней поверхностью рвательного кольца и внутренней поверхностью корпуса кернорвателя, а также периодичностью трения между внутренней поверхностью рвательного кольца и поверхностью керна, что ведет к интенсивному износу рвательного кольца. Особенноопасен износ его внешней поверхности, который ведет к нарушению чистоты поверхности кольца и увеличению коэффициента трения, а следовательно, сил трения между сопрягаемыми деталями. В результате этого при движении колонковой трубы вверх силы трения между корпусом кернорвателя и кольцом могут оказаться больше, чем силы трения рвательным кольцом и керном и тогда не произойдет заклинивания и срыва керна. В конструкции предусмотрена высокая чистота обработки внешней поверхности кернорвательного кольца, но условия работы, наличие большого количества абразивных частиц в промывочной жидкости, высокая скорость ее движения не позволяют разработать эффективное решение задачи. Кроме того недостатком известной конструкции является сложность отбора керна в трещиноватых породах, связанная с нахождением между трещинами мелких фракций, выносимых скоростным потоком жидкости, а также то, что под воздействием осевых и боковых усилий, развиваемых колонковой трубой и кернорвателем, обломочный материал керна может перемещаться как в осевом, так и в поперечном направлениях. Это ведет либо к невозможности захвата керна, либо к преждевременному его заклиниванию и является основной причиной повторения рейса для новой попытки подъема оставшегося на забое керна. К недостаткам известного устройства можно также отнести ограничение по диапазону диаметров бурения, так как промышленность не выпускает кернорватели с диаметром бурения больше 132 мм.
Известен кернорватель, используемый в буровой технике, содержащий корпус и кернозахватный элемент. Элемент выполнен в виде втулки и установлен с возможностью поворота. В корпусе установлено опорное кольцо с наклонной торцевой поверхностью. Втулка выполнена с параллельными торцами. Внутренняя ее поверхность выполнена в виде конуса и размещена большим основанием конуса на опорном кольце с возможностью радиального, осевого и кругового перемещений относительно опорного кольца. Угол образующей конуса больше или равен углу наклона торцевой поверхности кольца. Это позволяет повысить надежность захватывания, отрыва и удержания керна любых пород в керноприемной трубе [П RU №2182216].
Недостатками этого устройства является то, что его конструкция не исключает влияние износа наружной и внутренней поверхностей рвательного кольца на надежность захватывания, отрыва и удержания керна.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является колонковый набор, который для исключения негативного влияния скоростного потока промывочной жидкости и предотвращения истирания керна кернорвательным кольцом содержит дополнительно внутреннюю керноприемную трубу, размещенную внутри колонковой трубы. Внутренняя керноприемная труба предохраняет поступающий в нее керн от размывания промывочной жидкостью. Наружной трубой передается нагрузка и крутящий момент на алмазную коронку. Промывочная жидкость из переходника направляется по межтрубному пространству керноприемной и наружной труб, а затем через отверстие керноприемной трубы поступает в призабойную зону, омывая алмазную коронку. Рвательное кольцо располагается в конической проточке кернорвателя. При подъеме бурового снаряда кольцо скользит по коническим поверхностям корпуса кернорвателя и коронки, сжимает керн и после отрыва от забоя удерживает его от выпадения из трубы [Онищин В.П. Инструмент для алмазного бурения. Ленинград «Недра» 1973 с.9, 10].
Недостатками устройства является наличие трения рвательного кольца на упорном торце конуса корпуса и его изнашивание, подача промывочной жидкости в межтрубное пространство, недопущение кривизны труб и осевого люфта внутренней трубы, засорение шламом промывочных отверстий в переходнике и внутренней трубе, обязательное регулирование внутренней трубы относительно корпуса кернорвателя, зависимость работоспособности рвательного кольца и его физико-механических свойств, при этом упругость рвательного кольца должна быть достаточной, чтобы оно держалось на керне и не опускалось при бурении в конической проточке, в противном случае оно не сможет заклиниться.
Задачей изобретения является создание и разработка устройства для бурения скважины колонковым набором, позволяющим повысить надежность захвата, срыва и подъема керна при бурении в монолитных, слабо трещиноватых горных породах VI-XII категорий по буримости и обеспечить сооружение скважин диаметром, большим, чем диаметр 132 мм.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации полезной модели являются:
-упрощение конструкции;
- повышение надежности захвата и срыва керна;
- расширение области применения колонкового бурения;
- возможность отбора керна колонковыми наборами свыше 130 мм. Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в колонковом наборе, включающем внешнюю колонковую трубу, переходник внешней колонковой трубы, конусную проточку на внешней колонковой трубе, внутреннюю колонковую трубу, алмазную коронку, рвательное кольцо, внутренняя колонковая труба снабжена дополнительным переходником, соединенным с переходником внешней колонковой трубы шпоночным соединением и шпильками с пружинами с возможностью ее осевого перемещения под действием гидравлического давления на величину, эквивалентную длине конусной проточке внешней колонковой трубы, а также шаровым клапаном, установленным с возможностью перекрытия промывочного канала дополнительного переходника внутренней колонковой трубы при приложении гидравлического давления на этот переходник.
Заявляемую полезную модель иллюстрирует фигура, на которой показан общий вид колонкового набора.
На фиг. показаны внешняя колонковая труба, внутренняя колонковая труба, дополнительный переходник, шпильки, пружины, шпоночное соединение, рвательное кольцо, промывочный канал, шаровой клапан, рвательное кольцо, алмазная коронка.
Заявляемый колонковый набор включает алмазную коронку 1, внешнюю колонковую трубу 2 с конической проточкой (на фиг. не показана), переходник внешней колонковой трубы 3, дополнительный переходник 4, соединенный с внутренней колонковой трубой 5. Дополнительный переходник 4 соединяется с переходником внешней колонковой трубы 3 шпильками 6 и пружинам 7. Рвательное кольцо 8 перемещается по конической проточке во внешней колонковой трубе 2. Шпоночное соединение 9, установлено в продольных пазах (на фиг.не показаны) внутреннего переходника 4 и переходника внешней колонковой трубы 3. На период заклинивания керна шаровой клапан 10 сбрасывается через промывочный канал (на фиг. не показан) к центральному отверстию (на фиг. не показан) дополнительного переходника 4. В этом положении дополнительный переходник 4 выполняет функцию поршня, на который действует давление промывочной жидкости, создаваемое буровым насосом (на фиг. не показан), с помощью которого создается сила, перемещающая дополнительный переходник 4 вместе с внутренней колонковой трубой 5.
Заявляемый колонковый набор работает следующим образом. Собирают колонковый набор и опускают в скважину. В начале рейса рвательное кольцо 8 верхним торцом керна (на фиг. не показан) поднимается по конической проточке (на фиг. не показана) до упора в буртик (на фиг. не показан) колонковой трубы 2. Под действием осевой нагрузки рвательное кольцо 8 разжимается и пропускает столбик керна во внутреннюю колонковую трубу 5. После заполнения внутренней колонковой трубы 5 в нее опускают шаровой клапан 10, который попадает в центральное отверстие дополнительного переходника 4. Под давлением промывочной жидкости дополнительный переходник 4 вместе с внутренней колонковой трубой 5, перемещаясь внутри внешней колонковой трубы 2 вниз, давит на рвательное кольцо 8. Рвательное кольцо 8, сжимаясь по диаметру, отжимает керн, заклинивая его внутри этой трубы. При подъеме внешней колонковой трубы 2 с одновременным вращением происходит отрыв керна от забоя и его удержание в этой трубе.
Практическая применимость заявляемого устройства показана на следующем примере конкретного применения.
Пример.
В железобетоне ГЭС ОАО «РусГидро» сооружены скважины бурением с алмазными коронками с наружным диаметром 172 мм и внутренним диаметром 130 мм. В качестве колонковых труб применялись трубы: внешняя труба - диаметр 168 мм, внутренняя труба - 146 мм.
Породы монолитные, вверху слабо трещиноватые - железобетон с гранитным наполнителем и арматурой с диаметром 18-36 мм, категория по буримости X-XI.
Заявляемым устройством безаварийно сооружено восемь скважин с диаметром 172 мм длиной по 15 м каждая.
Как видно из примера применение принудительного механического воздействия на рвательное кольцо позволяет повысить надежность его заклинивания в процессе бурения, исключить зависимость надежности отрыва керна от износа рвательного кольца, использовать колонковое бурение для сооружения скважин большого диаметра. В заявленном устройстве промывочная жидкость подается через центральное отверстие дополнительного переходника напрямую к алмазной коронке, за счет чего снижается гидравлическое сопротивление прохождению жидкости, исключается возникновение водяных и воздушных пробок.