Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов

 

Изобретение относится к гидромеханике и предназначено для исследования процессов , происходящих в грунтовом массиве. Цель изобретения - повышение достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки. Дополнительный гидравлический динамометр 13с узлом компенсации гидростатического давления и с датчиками 14-16 51 давления соединен с основным гидравлическим динамометром 12 и наружной трубой 1. Узел компенсации гидростатического давления установлен внутри динамометра 13. Последний выполнен в виде ступенчатого плунжера 18, установленного в полости динамометра 13, поршня 24, штока 25, соединяющего его со ступенчатым плунжером 18, и надпоршневой камеры, сообщенной с датчиком давления. Стенд имеет керноприемную 2 и наружную 1 трубы, установленные на башмаке 4 с зазором. В процессе задавливания колонкового снаряда в грунт по показаниям датчиков 14-16 определяют сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям. Благодаря размещению, труб 1 и 2 на башмаке исключается возможность перераспределения нагрузок в элементах колонкового снаряда из-за колонкового снаряда и упругой деформации промежуточной трубы 3. 1 ил. СП с о Ьь о GJ О 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 E 21 В 49/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

lc (21) 4663696/03 (22) 17.03.89 (46) 07.04.91. Бюл. ЬВ 13 (71) Донецкий политехнический институт (72) И.В. Равилов (53) 622.23.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1492041, кл. Е 21 В 49/00, 1987. (54) СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КЕРНА НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ (57) Изобретение относится к гидромеханике и предназначено для исследования процессов, происходящих в грунтовом массиве, Цель изобретения — повышение достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки.

Дополнительный гидравлический динамометр 13 с узлом компенсации гидростатического давления и с датчиками 14 — 16

„„ Ы„„1640398 А1 давления соединен с основным гидравлическим динамометром 12 и наружной трубой

1. Узел компенсации гидростатического давления установлен внутри динамометра

13. Последний выполнен в виде ступенчатого плунжера 18, установленного в полости динамометра 13, поршня 24, штока 25, соединяющего его со ступенчатым плунжером

18, и надпоршневой камеры. сообщенной с датчиком давления. Стенд имеет керноприемную 2 и наружную 1 трубы, установленные на башмаке 4 с зазором. В процессе задавливания колонкового снаряда в грунт по показаниям датчиков 14 — 16 определяют сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям. Благодаря размещению труб 1 и 2 на башмаке исключается возможность перераспределения нагрузок в элементах колонкового снаряда из-за колонкового снаряда и упругой деформации промежуточной трубы 3. 1 ил.

1640398

15 ный между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и жестко связанный посредством резьбы с башмаком 4. Наружная 1 и керноприемная 2 трубы размещены относительно башмака 4 с зазорами, в которые установлены резиновые кольца 5, Керноприемная труба 2 снабжена сливным патрубком

6, сообщающим полость керноприемной турбы 2 с атмосферой, а наружная труба 1— датчиком 7 гидростатического давления, установленным на уровне сливного патрубка

6 керноприемной трубы 2.

Емкость 8 с исследуемым грунтом установлена под колонковым снарядом со стороны башмака и выполнена герметичной — она снабжена уплотнением 9 по наружному периметру трубы 1, Кроме того, она соединена с нагнетэтельной линией 10 с вентилем 11 и сообщена с датчиком 7 гидростатического давления.

Колонковый снаряд в верхней части связан с силоизмерителем, выполненным в виде двух гидравлических динамометров основного 12 и дополнительного 13 и датчиков 14-16 давления. Гидравлические динамометры 12 и 13 установлены последовательно вдоль оси колонкового снаряда, при этом корпус 17 дополнительного динамометра 13 и плунжер 18 основного динамометра 12 соединены соответственно с наружной 1 и керноприемной 2 трубами, а корпус 19 нижнего динамометра 12 и плунжер 20 дополнительного динамометра 13— с промежуточной трубой 3. Полости 21 и 22 . гидравлических динамометров 12 и 13 заполнены жидкостью и сообщены с датчиками 14 и 15 давления.

Стенд снабжен устройством компенсации гидростатического давления, установленным внутри дополнительного гидравлического динамометра и содержа20

Изобретение относится к гидрогеомеханике, в частности к устройствам для ис- . следования процессов, происходящих в грунтовом массиве при отборе проб несвязных грунтов морскими колонковыми пробоотборниками.

Целью изобретения является повышение достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки, На чертеже показан стенд, общий вид.

Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов содержит колонковый снаряд, включающий наружную 1 и керноприемную 2 трубы, промежуточный элемент 3, выполненный, например, также в виде трубы, установленщим ступенчатый плунжер 23, установленный в полости 22 дополнительного динамометра 13 и поршень 24, связанный со ступенчатым плунжером 23 с помощью штока 25. Причем площадь кольцевой поверхности ступенчатого плунжера 23 со стороны штока 25 (площадь поперечного сечения верхней ступени плунжера 23 минус площадь поперечного сечения штока 25) выполнена равной площади ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 дополнительного гидравлического динамометра

13, а площадь поршня 24 — равной площади кольцевой поверхности колонкового снаряда между наружной 1 и керноприемной 2 трубами (в поперечном сечении) с учетом толщины стенок этих труб, Кроме того, над поршнем 24 выполнена надпоршневая камера 26, сообщающаяся посредством гибкого шланга 27 с емкостью 8, а над ступенчатым плунжером 23 — штоковая полость 28, заполненная жидкостью и соединенная с датчиков 16 давления.

Для задэвливания колонкового снаряда в грунт применен гидравлический привод, включающий насосную станцию 29 и гидроцилиндр 30, Надпоршневая полость 31 гидроцилиндрэ 30 сообщена с датчиком 32 давления. Для регистрации и записи показаний датчиков давления использована установка 33.

Исследования сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника производят следующим образом.

Собранный колонковый снаряд с силоизмерителем опускают через отверстие уплотнения 9 в емкость 8 с исследуемым гнутом и, не доходя до уровня грунта башмаком 4 колонкового снаряда, открывают вентиль 11 нагнетательной линии 10. Жидкость из нагнетательной линии 10 начинает поступать в емкость 8 и поднимается по керноприемной трубе 2 до уровня сливного патрубка 6.

Далее колонковый снаряд опускают до уровня грунта в емкости 8, включают насосную станцию 29 гидравлического привода и гидроцилиндром 30 через корпус 17 дополнительного динамометра 13 производят вдавливание колонкового снаряда в грунт.

При этом усилие задавливания на башмак 4 колонкового снаряда передается через жидкость, заполняющую полость 22 гидравлического динамометра 13, плунжер 20, корпус 19 гидравлического динамометра 12 и промежуточную трубу 3, а усилие задавливания на керноприемную отрубу 2 — через жидкость, заполняющую полости 22 и 21 гидравлических динамометров 12 и 13 и плунжеры 20 и 18.

16403 8

Одновременно вентилем 11 нэгнетательной линии 10 проводят регулировку необходимого давления жидкости внутри емкости 8, моделирующего гидростэтическое давление. За счет разности между гидростатическим давлением и давлением жидкости над пробой в колонке керна и в окружающем забой массиве грунта возникает фильтрационный поток жидкости, оказывающий фильтрационное давление на скелет грунта. Поступающая в полость керноприемной трубы 2 жидкость отводится через сливной патрубок 6. Разность между гидростатическим давлением и давлением над пробой регистрируется датчиком 7 давления.

По мере внедрения колонкового снаряда в грунт возникает и нарастает сила сопротивления грунтового массива, Пропорционально этому сопротивлению нарастает давление жидкости в подпоршневой полости 31 гидроцилиндра 30, которое регистрируется датчиком 32 давления и записывается установкой 33. Записанное значение давления определяет полное сопротивление N внедрению пробоотборника в условиях исследований на предлагаемом стенде.

Сила F трения колонки пробы о керноприемную трубу 2 при превышении величины, определяемой весом керноприемной трубы 2 со сливным патрубком 6 и плунжером 18 гидравлического динамометра 12, однозначно соответствует давлению жидкости в полости 21 гидравлического динамометра 12, которое регистрируется датчиком

14 давления.

Лобовое сопротивление пробоотборнику (сопротивление по режущим кромкам башмака 4) в условиях исследований на предлагаемом стенде обусловлен сопротивлением грунтового массива на деформацию

F и усилием G, возникающим в результате гидростатического давления жидкости в емкости 8 на колонковый снаряд по площади кольцевого пространства между наружной

1 и керноприемной 2 трубами. В реальных условиях работы нэ море составляющая лобового сопротивления, обусловленная гидростатическим давлением на колонковый снаряд, отсутствует. Поэтому при исследованиях сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника усилие от гидростатического давления G жидкости на колонковый снаряд должно быть исключено (компенсировано), а лобовым сопротивлением пробоотборнику должно считаться только сопротивление грунтового массива на деформацию F под башмаком 4 колон5

10 ,15

55 кового снаряда. которое определяется на предлагаемом стенде следующим образом.

Давление жидкости в полости 22 гидравлического динамометра обусловлено суммой силы Рк трения колонки пробы о керноприемную трубу 2, лобового сопротивления грунтового массива на деформацию

Рл, гидростэтического давления 6 жидкости на колонковый снаряд жидкости в надпоршневой камере 26 на поршень 24.. Поскольку площадь поршня 24 выполнена равной площади кольцевого зазора колонкового снаряда между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и в надпоршневую камеру 26 по шлангу 27 подведена жидкость из емкости

8, находящаяся под гидростатическим давлением, то усилие гидростатического давления G на колонковый снаряд и сила, возникающая на поршне 24, одинаковы, но противоположны по направлению. При этом потери давления жидкости в надпоршневой камере 26 ввиду высоты колонкового снаряда, рассчитываемой от башмака 4 до поршня 24, пренебрегаются или учитываются в процесе проведения исследований как постоянная величина, Давление жидкости в штоковой полости

28 и полости 22 дополнительного динамометра 13 при отсутствии давления жидкости в надпоршневой камере 26 на поршень 24 были бы одинаковы ввиду одинаковых площадей ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 динамометра 13 и со стороны штоковой полости 28. Однако имеющееся на поршне 24 усилие, обусловленное давлением жидкости в надпоршневой камере 26, передается через шток 25 на ступенчатый плунжер 23 и снижает давление жидкости в штоковой полости 28 на величину, соответствующую силе гидростатическога давления на колонковый снаряд.

Таким образом, давление жидкости в штоковой полости 28, соответствующее некоторому усилию Т, определяется только суммой силы FK трения колонки пробы о керноприемную трубу 2 и лобового сопротивления грунтового массива на деформацию F . А поскольку значение силы FK трения известно по показателям датчика 14 давления, а значение силы Т вЂ” датчика 16 давления, то лобовое сопротивление грунтового массива на деформацию FI определяется следующим образом;

FB = Т вЂ” Гк.

Сопротивление FH грунтового массива по поверхности наружной трубы определяется следующим образом.

Регистрируемое датчиком 32 полное сопротивление N внедрению пробоотборника в условиях проведения исследований на

1640398 откуда

Т+6 предлагаемом стенде включает, кроме сопротивления непосредственно грунтового массива, еще и сопротивление 6, обусловленное гидростатическим давлением жидкости на колонковый снаряд. Т.е, N =Т+ FH+G, Fv = N — (Т+ 6).

Сумма Т+ G представляет собой не что иное, как среднее арифметическое значение сил, соответствующих показаниям датчиков 15 и 16 давления. Действительно, если давление жидкости в штоковой полости 28 соответствует силе Т, то давление в полости 22 гидравлического динамометра

13 соответствует усилию Т+ 26. Тогда среднее арифметическое

Таким образом, в процессе эадавливания колонкового снаряда в грунт по показаниям датчиков 14-16 и 32 давления можно определить сопротивление грунтового мас- сива внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым (наружной и внутренней) поверхностям и, как следствие, полное сопротивление непосредственно грунтового массива внедрению пробоотборника.

В процессе исследований благодаря размещению наружной 1 и керноприемной

2 труб относительно башмака 4 с зазорами исключается возможность перераспределения нагрузок в элементах колонкового снаряда в результате упругой деформации промежуточной трубы 3. Установка в зазорах резиновых колец 5 предотвращает попадение жидкости и грунта в кольцевой зазор между наружной 1 и керноприемной

2 трубами, Применение предлагаемого стенда для исследования сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника позволяет изучить закономерности влияния различных геолого-технических факторов пробоотбора(тип грунтов, глубина пробоотбора, диаметр бурения, перепад между гидростатическим давлением и давлением жидкости над пробой) на сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника в целом и по элементам колонкового снаряда: сопротивление грунтового массива по наружной поверхности, лобовое сопротивление и силу трения колонки керна.

Выяснение укаэанных закономерностей позволяет упростить проектирование привода для морских пробоотборников и разработать технологию пробоотбора донных отложений с использованием обратной

55 промывки. Проектирование привода для морских пробоотборников осуществляется при известных значениях сопротивления грунтового массива. А оптимизация технологии пробоотбора донных отложений производится путем регулирования управляемых геолого-технических факторов пробоотбора, при которых обеспечивается минимальное сопротивление грунтового массива при требуемом качестве опробования.

По сравнению с известными исследование предлагаемого стенда повышает его технологические возможности, так как он позволяет производить измерения по лобовой и боковым поверхностям пробоотборника одновременно в условиях обратной промывки в скважине.

Формула изобретения

Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов, содержащий керноприемную трубу со сливным патрубком, наружную трубу с датчиком давления, установленным на уровне сливного патрубка, промежуточный элемент, установленный между керноприемной и наружной трубами, башмак с установленными на нем наружной и керноприемной трубами и жестко закрепленным промежуточным элементом, герметичную емкость с патрубком для подачи жидкости под давлением, установленную со стороны башмака, силоизмеритель, выполненный в виде гидравлического динамометра с датчиков давления и соединенный с керноприемной трубой промежуточным элементом, и гидравлический привод перемещения наружной и керноприемной труб, датчик давления на наружной трубе сообщен с герметичной емкостью, отл и ч а ю щи йс я тем, что, с цел ью по вы ш ения достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки, он снабжен дополнительным гидравлическим динамометром с узлом компенсации гидростатического давления и датчиками давления, соединенным с основным гидравлическим динамометром и наружной трубой, причем узел компенсации гидростатического давления установлен внутри дополнительного гидравлического динамометра и выполнен в виде ступенчатого плунжера, установленного в полости дополнительного гидравлического динамометра, поршня и штока, соединяющего его со ступенчатым плунжером, надпоршневой камеры, сообщенной с герметичной емкостью, штоковой полости, выполненной над ступенчатым плунжером и

1640398

Составитель Г, Маслова

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор А. Обручар

Редактор M. Бланар

Заказ 1007 Тираж 364 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 сообщенной с датчиком давления, керноприемная и наружная трубы установлены на башмаке с зазором, площадь поршня узла компенсации равна площади кольцевой поверхности между наружной и керноприемной трубами, а площадь кольцевой поверхности ступенчатого плунжера со стороны штоковой полости равна его площади со стороны полости дополнительного гидравлического динамометра, сообщенной с дат5 чиком давления и с основным гидравлическим динамометром.