Керноотборный снаряд

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам для бурения с отбором керна. Снаряд содержит корпус с верхним переводником, коронку с расточкой, керноприемник в виде трубы, снабженный в верхней части опорой вращения и регулируемой подвеской. Подвеска включает стопорное кольцо, регулировочный винт, соединенный с осью опоры вращения, и гайку, взаимодействующую с регулировочным винтом. В гайке выполнены циркуляционные отверстия. В керноприемник установлена с возможностью продольного перемещения дополнительная труба с перемычкой, взаимодействующей с поступающим в трубу керном. Узел отделения керна содержит башмак, соединенный с керноприемником, и рычажный кернорватель, установленный в башмаке и содержащий корпус и подпружиненные короткие и длинные рычажки, установленные в диаметральной плоскости корпуса с возможностью поворота. Узел отделения керна снабжен установленной в корпусе кернорвателя с возможностью продольного перемещения гильзой. Нижняя часть гильзы выполнена в виде упруго-деформируемой разрезной цанги с уступами на ее внешней поверхности, которые взаимодействуют с нижним торцом корпуса кернорвателя. Верхняя часть гильзы выполнена с уступом на ее внешней поверхности, соединена с нижней частью дополнительной трубы и взаимодействует уступом с верхним торцом корпуса кернорвателя. Рычажки кернорвателя расположены в разных диаметральных плоскостях, короткие рычажки расположены над длинными рычажками. Верхний переводник снабжен клапаном регистрации заклинки керна, содержащим неподвижную втулку с боковыми и центральным циркуляционными отверстиями. Подвижная втулка установлена в расточке верхнего переводника с возможностью продольного перемещения. Керноприемник снабжен механизмом антизаклинивания керна в виде одного или нескольких выступов клинообразной формы, расположенных по окружности на нижнем торце гайки подвески керноприемника и взаимодействующих с ними аналогичных ответных одного или нескольких выступов клинообразной формы по окружности на верхнем торце корпуса опоры вращения. Ось опоры вращения выполнена в виде ступенчатой втулки, установленной на регулировочном винте с возможностью продольного перемещения, и снабжена пружиной сжатия, жесткость которой меньше жесткости пружины сжатия клапана регистрации заклинки керна. Расстояние между нижним торцом гайки подвески керноприемника и верхним торцом опоры вращения больше удвоенной высоты уступов выступов клиновидной формы. Повышается вынос керна и надежность его отделения от забоя. 9 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для бурения с отбором керна и с сохранением пластовой среды.

Известен керноотборный снаряд СК-190/80 (Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. См. стр.40, рис.27), содержащий:

- корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб,

- коронку с расточкой,

- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, соединенной с регулируемой подвеской;

- узел отделения керна от забоя, содержащий цанговый кернорватель, установленный в переводнике, соединенном с керноприемником и взаимодействующим с расточкой коронки.

Недостатком известного снаряда является ограниченность эксплуатационных возможностей, обусловленная невозможностью выноса керна из разрезов скважин, представленных слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами.

Это объясняется тем, что в известном снаряде в узле отделения керна от забоя установлен только цанговый кернорватель, предназначенный для отделения от забоя и удержания в керноприемнике при подъеме на поверхность керна, представленного достаточно сцементированными, крепкими и плотными породами. Такие породы, будучи низкопористыми и малопроницаемыми, в большинстве своем не являются коллекторами нефти и газа и приурочены в основном к перемычкам между продуктивными пластами, представленными высокопористыми и хорошо проницаемыми коллекторами, сложенными, как правило, слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами.

Поэтому цанговый кернорватель (см. Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. Стр.38, рис.25 и стр.42, рис.29), практически не перекрывающий поперечное сечение входного отверстия керноприемника, даже в случае успешного отделения от забоя керна, представленного слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами, не сможет надежно удержать колонку керна в керноприемнике при подъеме снаряда на поверхность ввиду возможности высыпания керна из керноприемника в связи с высокой динамикой спуско-подъемных операций.

Известен керноотборный снаряд "Недра" КД 11-190/80 (Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. См. стр.33-35, рис.17), содержащий:

- корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб,

- коронку с расточкой,

- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, соединенной с регулируемой подвеской;

- узел отделения керна от забоя, содержащий цанговый кернорватель, установленный в нижнем переводнике, соединенном с керноприемником, и рычажковый кернорватель, установленный в башмаке, соединенном с нижним переводником.

Недостатком известного снаряда является низкий вынос керна, особенно при его отборе из разрезов скважин, представленных слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися горными породами, а также трещиноватыми горными породами.

Это обусловлено тем, что рычажки рычажкового кернорвателя Р18Л-80, установленного в узле отделения керна известного снаряда (см. Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. Стр.39, рис.26), перекрывают поперечное сечение входного отверстия керноприемника не более чем на 30%, что недостаточно для надежного удержания в керноприемнике керна, представленного слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами, при подъеме снаряда на поверхность. Высокая динамика спуско-подъемных операций, связанная с подъемом бурильной колонны со снарядом, остановками ее с установкой на элеватор или в клинья ротора и последующим отвинчиванием свечи, вызывает возникновение ударных нагрузок и вибраций на бурильную колонну, которые будут передаваться на керноотборный снаряд и, соответственно, на керн, способствуя возникновению в нем дополнительных трещин и нарушению связей между частицами слабосцементированных, рыхлых и рассыпающихся горных пород. В результате керн будет высыпаться между рычажками кернорвателя в ствол скважины, что уменьшает его вынос.

В случае же применения рычажкового кернорвателя с рычажками, практически полностью перекрывающими поперечное сечение входного отверстия керноприемника (см. Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. Стр.42, рис.30), низкий вынос керна будет обусловлен тем, что рабочие элементы кернорвателя - подпружиненные рычажки, постоянно контактирующие при вращении снаряда в процессе бурения с наружной цилиндрической поверхностью формируемой колонки горной породы, в случае заклинивания подвесной опоры керноприемника будут подвергаться интенсивному абразивному износу ввиду высоких абразивных свойств горных пород и длительности процесса бурения. Истирание и последующая поломка рабочих элементов кернорвателя может привести к тому, что при отрыве керна от забоя после окончания рейса проходки кернорватель не выполнит своего функционального назначения, и керн либо не будет отделен от забоя, либо будет высыпаться при подъеме известного снаряда на поверхность, в результате чего будет снижен его вынос. Этот недостаток присущ любым кернорвателям, рабочие элементы которых постоянно контактируют с керном в процессе бурения.

Кроме того, расположение коротких и длинных рычажков вышеупомянутых рычажковых кернорвателей (см. Князев И.К. Бурильщику об отборе керна. М., Недра, 1981, 102 с. Стр.39, рис.26 и стр.42, рис.30) в одной диаметральной плоскости не обеспечивает надежного удержания керна в керноприемнике при подъеме известного снаряда на поверхность по окончании рейса бурения с отбором керна. Это объясняется тем, что в процессе бурения керн, входя в керноприемник, отжимает подпружиненные рычажки внутрь соответствующих пазов корпуса кернорвателя. При этом угол между образующей цилиндрической колонки керна и рычажком в месте их контакта у короткого рычажка будет больше, чем у длинного рычажка, который, будучи отжатым керном в паз корпуса кернорвателя, становится практически параллельным образующей цилиндрической колонки керна. Тем самым захват керна при отрыве известного снаряда от забоя для отделения керна будет производиться в первую очередь короткими рычажками. Вместе с тем при одинаковой жесткости пружин, обеспечивающих поджим рычажков к поверхности колонки керна, усилие прижатия короткого рычажка к керну за счет меньшего плеча от оси поворота до точки контакта, будет больше по сравнению с длинным рычажком. Вследствие этого в момент отрыва известного снаряда от забоя для отделения керна будет происходить захват и отделение керна от забоя короткими рычажками, а не длинными, которые могут остаться в отжатом положении, не препятствуя выпадению керна из керноприемника в процессе подъема известного снаряда на поверхность, чем будет снижен вынос керна.

И, наконец, постоянный контакт рычажков кернорвателей с керном, представленным слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами, будет способствовать тому, что отделяемые рычажками кернорвателей от выбуриваемой колонки керна частицы горной породы будут постепенно накапливаться в зоне узла отделения керна, все более препятствуя свободному прохождению выбуриваемой колонки керна в керноприемник. Этому может способствовать и ступенчатость внутренних поверхностей (отсутствие гладкого беспрепятственного прохода) в местах соединений корпусных деталей узла отделения керна от забоя. Нарастающее по времени суммарное воздействие этих факторов приведет к тому, что колонка керна будет неподвижно заклинена в зоне узла отделения керна, после чего бурение будет продолжаться уже сплошным забоем, так как вновь выбуриваемый керн, представленный слабыми по механической прочности, рыхлыми и рассыпающимися породами, будет разрушаться путем перетирания на забое плотной пробкой, образованной частицами горных пород в проходном отверстии узла отделения керна от забоя, и размываться струями бурового раствора, превращаясь в шлам, в результате чего будет снижен вынос керна.

При этом на поверхности процесс заклинки керна в керноприемнике известного снаряда и последующего разрушения керна на забое не будет зарегистрирован, поскольку при отборе керна из разрезов скважин, представленных слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами, механическая скорость бурения практически не снизится и бурильщик будет продолжать бурение на всю длину керноприемника, разрушая вновь выбуриваемый после заклинивания керн.

В случае отбора керна из наклонно-направленных скважин или из крутопадающих пластов, представленных слоистыми и кавернозными породами с разнонаправленной трещиноватостью и наличием зеркал скольжения, возможно заклинивание колонки керна в керноприемнике. После этого бурение будет продолжаться уже сплошным забоем, так как вновь выбуриваемый керн будет разрушаться путем перетирания на забое плотной пробкой, образованной частицами горных пород в проходном отверстии узла отделения керна от забоя, и размываться струями бурового раствора, превращаясь в шлам, в результате чего будет снижен вынос керна.

Задачей изобретения является создание керноотборного снаряда, лишенного перечисленных недостатков.

Техническими результатами решения этой задачи заявляемым керноотборным снарядом являются:

- повышение выноса керна за счет его более надежного отделения от забоя и последующего удержания в керноприемнике при подъеме на поверхность,

- повышение выноса керна, представленного слабосцементированными, рыхлыми и рассыпающимися породами, за счет предотвращения его заклинивания в узле отделения керна от забоя путем изоляции рабочих элементов рычажкового кернорвателя от керна в процессе бурения и обеспечения гладкого прохода на всем пути движения керна от бурголовки в керноприемник;

- повышение выноса керна, представленного слоистыми и кавернозными породами, склонными к трещинообразованию, за счет устранения заклинивания колонки керна в керноприемнике;

- повышение выноса керна путем регистрации на поверхности момента заклинки керна в керноприемнике.

Для обеспечения этих результатов в известном керноотборном снаряде, содержащий:

- корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб,

- коронку с расточкой,

- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, содержащей корпус с подшипниками и осью, и регулируемой подвеской, включающей стопорное кольцо, регулировочный винт, соединенный с осью опоры вращения, и гайку, взаимодействующую с регулировочным винтом и установленную без возможности вращения в расточке верхнего переводника на верхний торец корпуса, причем в гайке выполнены циркуляционные отверстия;

- узел отделения керна от забоя, включающий башмак, соединенный с керноприемником, и рычажковый кернорватель, установленный в башмаке и содержащий корпус и подпружиненные короткие и длинные рычажки, установленные в диаметральной плоскости корпуса кернорвателя с возможностью поворота.

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

- в керноприемник установлена с возможностью продольного перемещения дополнительная труба, в верхней части которой установлена перемычка, с которой взаимодействует поступающий в трубу керн;

- узел отделения керна дополнительно снабжен установленной в корпус кернорвателя с возможностью продольного перемещения гильзой, нижняя часть которой выполнена в виде упруго-деформируемой разрезной цанги с уступами на ее внешней поверхности, взаимодействующими с нижним торцом корпуса кернорвателя, а верхняя часть выполнена с уступом на ее внешней поверхности, взаимодействующим с верхним торцом корпуса кернорвателя, и соединена с нижней частью дополнительной трубы;

- рычажки кернорвателя, взаимодействующие с внешней поверхностью гильзы, расположены в разных диаметральных плоскостях, причем короткие рычажки расположены над длинными рычажками;

- гайка подвески керноприемника установлена в расточке верхнего переводника с возможностью продольного перемещения;

- верхний переводник дополнительно снабжен клапаном регистрации заклинивания керна, содержащим неподвижную втулку, в которой выполнены боковые и центральное циркуляционные отверстия, и снабженную пружиной сжатия подвижную втулку с циркуляционными отверстиями, установленную в расточке верхнего переводника с возможностью продольного перемещения и взаимодействующую нижним торцом с верхним торцом гайки подвески, а верхней частью разъемно соединенной с неподвижной втулкой с возможностью продольного перемещения, причем разъемное соединение выполнено в виде гладкой цилиндрической поверхности контакта;

- керноприемник дополнительно снабжен механизмом антизаклинивания керна, выполненным в виде одного или нескольких выступов клинообразной формы, расположенных по окружности на нижнем торце гайки подвески керноприемника, и взаимодействующих с ними аналогичных ответных одного или нескольких выступов клинообразной формы, содержащих скосы и уступы, и расположенных по окружности на верхнем торце корпуса опоры вращения, причем ось опоры вращения выполнена в виде ступенчатой втулки, установленной на регулировочном винте с возможностью продольного перемещения, и снабжена пружиной сжатия, жесткость которой меньше жесткости пружины сжатия клапана регистрации заклинки керна, а расстояние между нижним торцом гайки подвески керноприемника и верхним торцом корпуса опоры вращения больше удвоенной высоты уступов выступов клинообразной формы.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемого керноотборного снаряда - исходное положение перед спуском в скважину;

на фиг.2 в аксонометрии в увеличенном виде изображены взаимодействующие элементы механизма антизаклинивания керна в исходном положении, стрелкой В показано направление вращения;

на фиг.3 изображен общий вид керноотборного снаряда - рабочее положение механизма антизаклинивания керна в момент начала его заклинивания;

на фиг.4 изображен общий вид керноотборного снаряда - рабочее положение клапана регистрации заклинивания керна после его заклинивания,

на фиг.5 изображен общий вид нижней части керноотборного снаряда после отделения керна от забоя,

на фиг.6 в разрезе А-А на фиг.5 изображен верхний ряд коротких рычажков кернорвателя в рабочем положении,

на фиг.7 в разрезе Б-Б на фиг.5 изображен нижний ряд длинных рычажков кернорвателя в рабочем положении,

на фиг.8 в увеличенном виде в исходном положении изображено взаимодействие гильзы узла отделения с корпусом кернорвателя, при котором рычажки отделены от взаимодействия с выбуриваемым керном,

на фиг.9 в увеличенном виде изображен момент отсоединения гильзы от корпуса кернорвателя и освобождение рычажков кернорвателя, которые вошли в контакт с керном.

Керноотборный снаряд (фиг.1) содержит корпус 1 в виде трубы, оснащенной в верхней части переводником 2, а снизу - коронкой 3, в которой выполнена расточка 4 и промывочные отверстия 5. В полости 6 корпуса 1 размещен керноприемник 7 в виде трубы, верхний конец которого оснащен опорой вращения 8, в состав которой входят корпус 9, подшипники 10 и ось 11, выполненная в виде ступенчатой втулки. С опорой вращения 8 соединена регулируемая подвеска 12 керноприемника 7, включающая регулировочный винт 13, соединенный с гайкой 14, установленной на торце корпуса 1 с возможностью продольного перемещения в переводнике 2 и зафиксированной в исходном положении кольцевым стопором 15. В гайке 14 подвески 12 выполнены циркуляционные отверстия 16, а осевой канал 17 регулировочного винта 13, сообщающийся с полостью керноприемника 7, перекрыт шаровым клапаном 18, установленным в рым-болте 19, предназначенном для строповки керноприемника 7 крюком подъемной лебедки (не показан) при его извлечении из корпуса 1. Ось 11 опоры вращения 8 установлена на регулировочном винте 13 с возможностью продольного перемещения, снабжена пружиной сжатия 20 и зафиксирована в исходном положении на регулировочном винте 13 резьбовой втулкой 21.

Между опорой вращения 8 и гайкой 14 подвески 12 размещен механизм антизаклинивания 22 керна (фиг.1 и 2), содержащий взаимодействующие элементы, выполненные в виде одного или нескольких выступов 23 клинообразной формы, расположенных по окружности на нижнем торце 24 гайки 14, и в виде ответных одного или нескольких выступов 25 клинообразной формы, расположенных по окружности на верхнем торце 26 корпуса 9. На выступах 23 и 25 выполнены скосы 27 и уступы 28.

В переводнике 2 установлен клапан регистрации 29 заклинивания керна, содержащий неподвижно установленную в верхней части переводника 2 втулку 30, в которой выполнены циркуляционные отверстия: боковые 31 и центральное 32. С неподвижной втулкой 30 с возможностью продольного перемещения разъемно соединена верхней частью подвижная втулка 33, причем разъемное соединение выполнено в виде гладкой цилиндрической поверхности контакта и содержит уплотнительное кольцо 34, установленное в канавке, выполненной на внешней поверхности неподвижной втулки 30. В исходном положении боковые циркуляционные отверстия 31 неподвижной втулки 30 открыты. Нижняя часть подвижной втулки 33 установлена с возможностью перемещения в расточке переводника 2 и в исходном положении зафиксирована кольцевой гайкой 35, взаимодействуя уступом с пружиной сжатия 36, а нижним торцом с верхним торцом гайки 14. При этом жесткость пружины сжатия 20 механизма антизаклинивания 22 меньше жесткости пружины сжатия 36 клапана регистрации 29 заклинивания керна. Для циркуляции раствора в подвижной втулке 33 выполнены отверстия 37, а для фиксации гайки 14 от вращения в ней выполнен шпоночный паз 38, взаимодействующий со шпонкой 39, установленной в кольцевой гайке 35.

В нижней части керноприемника 7 расположен узел отделения 40 керна от забоя и его последующего удержания в керноприемнике 7 при подъеме снаряда на поверхность. Узел отделения 40 содержит башмак 41, неподвижно соединенный с керноприемником 7 и установленный в башмаке 41 рычажковый кернорватель 42, в корпусе 43 которого в разных диаметральных плоскостях с возможностью поворота установлены короткие 44 и длинные 45 рычажки, причем короткие рычажки 44 расположены над длинными рычажками 45 (фиг.5, 6 и 7). В исходном положении рычажки 44 и 45 расположены вертикально в пазах корпуса 43, зафиксированы от поворота и отделены от контакта с выбуриваемым керном внешней поверхностью гильзы 46, нижняя часть которой выполнена в виде упруго-деформируемой разрезной цанги 47. В исходном положении гильза 46 взаимодействует уступами 48, выполненными на внешней поверхности цанги 47, с нижним торцом корпуса 43 кернорвателя, а верхняя часть взаимодействует уступом 49, выполненным на внешней поверхности верхней части гильзы 46 с верхним торцом корпуса 43 кернорвателя 42.

В керноприемнике 7 установлена с возможностью продольного перемещения дополнительная труба 50, выполненная, например, из волокнистого композиционного материала, в верхней части которой установлена перемычка 51, с которой взаимодействует поступающий в трубу 50 керн 52 (фиг.2). Нижняя часть трубы 50 неподвижно соединена с гильзой 46, причем внутренние диаметры гильзы 46 и трубы 50 равны и соединение их в месте стыка выполнено гладкопроходным, без уступов и зазоров.

Заявляемый керноотборный снаряд работает следующим образом.

Перед спуском в скважину производится подготовка снаряда, для чего корпус 1, собранный с коронкой 3 (фиг.1), устанавливается на устье на элеваторе или в клиньях ротора (не показаны). Далее производится сборка узла отделения керна 27, для чего гильзу 46 соединяют с кернорвателем 42, предварительно поворачивая рычажки 44 и 45 в вертикальное положение и заводя в соответствующие пазы корпуса 43, после чего сверху внутрь корпуса 43 вводят гильзу 46 уступами 48 вперед (фиг.8). Благодаря упруго-деформируемым свойствам разрезной цанги 47 уступы 48 смыкаются, и гильза 46 беспрепятственно устанавливается в корпусе 43 до упора уступа 49 в верхний торец корпуса 43. При этом уступы 48, будучи сомкнутыми при проходе через корпус 43, в конце перемещения гильзы 46 благодаря упруго-деформируемым свойствам разрезной цанги 47 размыкаются и, взаимодействуя с нижним торцом корпуса 43, неподвижно фиксируют гильзу 46 относительно кернорвателя 42.

Далее с верхней частью гильзы 46 свинчивается дополнительная труба 50, в которой в зависимости от предполагаемой длины рейса с отбором керна 52 в необходимом месте в верхней части устанавливается перемычка 51 (фиг.1).

Установленные в корпус 9 подшипники 10 с осью 11 образуют опору вращения 8, которая соединяется с регулировочным винтом 13, для чего внутрь оси 11 устанавливают пружину сжатия 20 и соединяют ось 11 с регулировочным винтом 13 резьбовой втулкой 21, дополнительно сжимая пружину 20. На регулировочный винт 13 навинчивают гайку 14 до положения, при котором величина расстояния между нижним торцом 24 гайки 14 и верхним торцом 26 корпуса 9 будет больше двух величин высоты уступов 28 выступов 23 и 25.

Керноприемник 7 соединяется с опорой вращения 8 и регулируемой подвеской 12, после чего в нижний конец керноприемника 7 вводится труба 50 с узлом отделения 40, которые закрепляются в керноприемнике 7 башмаком 41. Фиксация кернорвателя 42 в башмаке 41 от продольного перемещения осуществляется нижним торцом трубы керноприемника 7, с которым взаимодействует верхний торец корпуса 43 кернорвателя 42.

После сборки верхней части регулировочного винта 13 с клапаном 18 и рым-болтом 19 собранный керноприемник 7 поднимают крюком вспомогательной лебедки (не показан) и вставляют в корпус 1 до установки гайки 14 на торец корпуса 1. Регулировку подвесного положения керноприемника 7 в корпусе 1, при котором башмак 41 будет с зазорами (радиальным и торцевым) располагаться в расточке 4 коронки 3, производят вращением регулировочного винта 13 в гайке 14, после чего необходимое положение керноприемника 7 в корпусе 1 фиксируется кольцевым стопором 15.

Сборку клапана регистрации 29 заклинивания керна 52 в переводнике 2 осуществляют следующим образом. Подсобранную с уплотнительным кольцом 34 неподвижную втулку 30 ввинчивают в верхнюю часть переводника 2, затем в расточку переводника 2 снизу устанавливают пружину сжатия 36 и подвижную втулку 33, которую фиксируют в расточке переводника 2 кольцевой гайкой 35. При этом пружина 36 будет дополнительно поджата, а верхняя часть подвижной втулки 33 разъемно, по гладкой цилиндрической поверхности контакта, соединится с нижней частью неподвижной втулки 30, оставляя в открытом положении циркуляционные боковые отверстия 31. Собранный с клапаном регистрации 29 заклинивания керна 52 переводник 2 свинчивают с корпусом 1, фиксируя торцом подвижной втулки 33 гайку 11 на торце корпуса 1.

В исходном положении, показанном на фиг.1, снаряд на колонне бурильных труб (не показано) спускают в скважину. При этом заполнение колонны труб буровым раствором из скважины осуществляется через отверстия 5, полость 6, отверстия 16, полости неподвижной 30 и подвижной 33 втулок, расточку переводника 2 и отверстия 37, 31 и 32. Заполнение полости керноприемника 7 буровым раствором по мере спуска в скважину осуществляется благодаря отжиму шарового клапана 18 возрастанием давления в полости керноприемника 7, после чего находящийся в ней воздух будет вытеснен через канал 17 буровым раствором в колонну бурильных труб.

Бурение с отбором керна 52 производят, включив вращение снаряда, с промывкой скважины буровым раствором, нагнетаемым с поверхности на забой скважины по колонне бурильных труб через отверстия 31, 32 и 37, полости расточки переводника 2, неподвижной втулки 30, подвижной втулки 33, отверстия 16, полость 6 и отверстия 5. Циркуляция бурового раствора через полость керноприемника 7 будет невозможна, благодаря шаровому клапану 18, препятствующему доступу бурового раствора через канал 17 в керноприемник 7, чем устраняется противоток бурового раствора навстречу поступающему в керноприемник 7 выбуриваемому керну 52. Тем самым предотвращается размыв керна, особенно из рыхлых слабосцементированных пород, и обеспечивается повышение его выноса. Аналогичный эффект достигается благодаря регулированию посадки башмака 41 в расточку 4, чем минимизируется доступ раствора навстречу поступающему керну 52.

По мере выбуривания керн 52 поступает в зону узла отделения 40, где гильза 46 исключает контакт рычажков 44 и 45 кернорвателя 42 с керном 52, вследствие чего рычажки 44 и 45 не будут оказывать сопротивление перемещению керна 52, чем предотвращается разрушение последнего, представленного в особенности рыхлыми, рассыпающимися и слабосцементированными породами. Далее керн 52 поступает в трубу 50, где благодаря равенству диаметров гильзы 46 и трубы 50, а также выполнению места их соединения гладкопроходным, без уступов и зазоров, также исключается заклинивание керна 52, что способствует повышению его выноса.

В конце рейса проходки верхний торец колонки керна 52 дойдет до перемычки 51, установленной в трубе 50 (фиг.3). По мере дальнейшего углубления забоя и выбуривания керна 52 усилие его давления на перемычку 51 будет возрастать, вследствие чего это усилие через трубу 50 будет передаваться на гильзу 46. Уступы 48, упруго смыкаясь, выйдут из зацепления с нижним торцом корпуса 43 кернорвателя 42 и расфиксируют гильзу 46, которая при дальнейшем перемещении вверх внутри корпуса 43, последовательно освободит вначале длинные рычажки 45, а в конце хода - короткие рычажки 44 (фиг.7), которые войдут в контакт с цилиндрической поверхностью колонки керна 52.

По окончании рейса проходки с отбором керна 52 отрывом снаряда от забоя производят отделение керна 52 кернорвателем 42. При этом снаряд с кернорвателем 42 будет перемещаться вверх относительно неподвижной, связанной с забоем колонки керна 52. И короткие рычажки 44, расположенные к образующей цилиндрической колонки керна 52 под гораздо большим углом, чем длинные рычажки 45, в первую очередь окажутся в зацеплении с цилиндрической поверхностью керна 52 и, поворачиваясь до горизонтального положения, внедрятся в керн 52 и отделят его от забоя (фиг.5 и 6). Этому же при одинаковой жесткости пружин рычажков 44 и 45 способствует и гораздо большее усилие поджима коротких рычажков 44 к поверхности керна 52 за счет меньшего плеча от оси поворота рычажка 44 до точки контакта с керном 52. Таким образом, отделенная от забоя колонка керна 52 своим нижним торцом расположится на коротких рычажках 44, а длинные рычажки 45, вследствие отсутствия керна 52 в их диаметральной плоскости расположения в корпусе 43, будучи подпружиненными, беспрепятственно повернутся в горизонтальное положение, практически полностью перекрыв проходное сечение отверстия узла отделения 40 керна 52 (фиг.7).

При подъеме снаряда на поверхность вследствие высокой динамики процесса спуско-подъемных операций возможно разрушение и высыпание керна 52, представленного в особенности рыхлыми, рассыпающимися и слабосцементированными породами, через короткие рычажки 44 (фиг.5). Однако ниже расположенные длинные рычажки 45, полностью перекрывшие проходное сечение отверстия узла отделения 40, будут препятствовать выпадению керна 52 в скважину, чем предотвращается снижение его выноса.

При отборе керна 52 из наклонно-направленных скважин или из крутопадающих пластов, представленных кавернозно-обломочными породами с разнонаправленной трещиноватостью и зеркалами скольжения, из-за воздействия рабочих элементов коронки 3 на керн 52 и проявления горного давления возможно растрескивание и разрушение колонки керна 52 сразу после его формирования с последующим заклиниванием уже в зоне узла отделения 40. Это чревато разрушением керна 52 на забое плотной пробкой, образованной частицами горных пород в проходном отверстии узла отделения 40. При этом за счет сил трения будет возрастать усилие продвижения керна 52 внутрь керноприемника 7, вследствие чего последний будет перемещаться вверх относительно корпуса 1, уменьшая расстояние между нижним торцом 24 гайки 14 и верхним торцом 26 корпуса 9 и одновременно сжимая пружину 20 механизма антизаклинивания 22. При некоторой величине перемещения керноприемника 7 вращающиеся выступы 23 войдут во взаимодействие с продольно перемещающимися вверх выступами 25, вовлекая последние во вращение. А так как выступы 25 связаны с корпусом 9 опоры вращения 8, то последний, будучи соединенным с керноприемником 7 и узлом отделения 40, также начнет вращаться относительно неподвижного керна 52, заклиненного в керноприемнике 7. Тем самым возможно освобождение колонки керна 52 от заклинивания, после чего воздействием усилия от сжатой пружины 20 и массы керноприемника 7 последний возвратится в исходное состояние, рассоединяя выступы 25 от зацепления с выступами 23.

Если же вращение керноприемника 7 относительно неподвижного и связанного с забоем скважины керна 52 не осуществится из-за невозможности преодоления усилия трения заклиненного в керноприемнике 7 керна 52, то выступы 23, вращаясь относительно неподвижных выступов 25 и взаимодействуя между собой скосами 27, будут отжимать их вниз, преодолевая сопротивление сжатой пружины 20 и усилие трения заклиненного в керноприемнике 7 керна 52. При этом керноприемник 7 будет также перемещаться вниз относительно неподвижного и связанного с забоем скважины керна 52, а после выхода скосов 27 из взаимодействия керноприемник 7 от воздействия усилия сжатой пружины 20 и осевой нагрузки на коронку 3 переместится вверх относительно керна 52 на удвоенную высоту уступов 28. Таким образом, при каждом обороте корпуса 1 с керноприемник 7 в зависимости от количества выступов 23 и 25 будет совершать несколько возвратно-поступательных продольных перемещений относительно керна 52, что в сочетании с вращением керноприемника 7 может ликвидировать заклинивание керна 52 и обеспечит дальнейшее продолжение бурения на всю запланированную длину рейса.

При бурении с отбором керна возможны ситуации, когда при поднятом на поверхность снаряде и подготовке его к очередному рейсу для отбора керна, в ствол скважины на забой могут вываливаться из вышележащих отложений обломки горной породы, по прочности превосходящие рыхлые и слабосцементированные породы в интервале отбора керна. Тогда после спуска снаряда на забой такие обломки породы, не связанные с забоем и будучи прижатыми торцом коронки 3 к забою, начнут вращаться вместе с ней, постепенно деформируясь и беззазорно входя в керноприемное отверстие коронки 3, башмака 41 и далее в гильзу 46. Одновременно будет происходить процесс перетирания горной породы, находящейся под этими обломками, разрушенные остатки которой без зазоров будут заполнять входное отверстие коронки 3 и далее - проходное сечение башмака 41 и гильзы 46. Таким образом, возникает заклинивание керна 52 в самом начале процесса его выбуривания и поступления в узел отделения 40 и произойдет резкое снижение механической скорости бурения.

По мере увеличения осевой нагрузки усилие от продвижения этой заклиненной массы обломков и перетертой горной породы вверх будет возрастать и передаваться на гильзу 46, у которой благодаря упруго-деформируемым свойствам цанги 47 произойдет смыкание уступов 48 и расфиксация гильзы 46 от зацепления с корпусом 43 кернорвателя 42. Последующее перемещение гильзы 46 вверх освободит рычажки 44 и 45, которые войдут в зацепление с заклиненной массой обломков и перетертой горной породы.

Одновременно с этим усилие от продвижения заклиненной массы обломков и перетертой горной породы вверх будет передаваться через башмак 41 и кернорватель 42 на керноприемник 7, а от него через гайку 14 на детали клапана регистрации 29 заклинивания керна 52, т.е. на взаимодействующую с гайкой 14 подвижную втулку 33 и на пружину 36, которая начнет сжиматься. При этом гайка 14 и подвижная втулка 33 начнут перемещаться вверх в расточку переводника 2, и верхняя часть подвижной втулки 33, будучи разъемно соединенной с верхней втулкой 30 с возможностью продольного перемещения, благодаря уплотнительному кольцу 34 перекроет боковые отверстия 31 неподвижной втулки 30. Нагнетаемый с поверхности на забой буровой раствор сможет циркулировать через снаряд только через центральное отверстие 32, площадь которого меньше суммарной площади боковых отверстий 31 и центрального отверстия 32 и вследствие образовавшегося местного гидравлического сопротивления давление нагнетания бурового раствора немедленно возрастет. На поверхности перекрытие отверстий 31 перемещением втулки 33 будет регистрироваться манометром в виде скачка давления, что в сочетании с падением механической скорости бурения будет свидетельствовать о заклинивании керна 52 в нижней части снаряда и необходимости прекращения процесса бурения с подъемом снаряда на поверхность. Таким образом, своевременная информация о начале заклинки керна 52, поступившая на поверхность от клапана регистрации 29, позволит предотвратить дальнейшее бурение с разрушением керна 52 на забое и будет способствовать повышению его выноса.

Последующим отрывом снаряда от забоя для подъема на поверхность произойдет отделение и удержание керна 52 освобожденными рычажками 44 и 45 кернорвателя 42.

При подъеме снаряда на поверхность слив раствора из колонны труб в скважину осуществляется через отверстие 32, полости неподвижной 30 и подвижной 33 втулок, отверстия 37, полость 6 и отверстия 5.

На поверхности снаряд устанавливают в клинья ротора, отсоединяют переводник 2 с клапаном регистрации 29 и из корпуса 1, введя крюк подъемной лебедки (не показан) в рым-болт 19, извлекают керноприемник 7. Далее от керноприемника 7 отсоединяют башмак 41 с кернорвателем 42 и извлекают трубу 50 с керном 52 и гильзой 46. После отсоединения гильзы 46 трубу 50 вместе с керном разрезают на метровые секции, производят описание и замер линейного выноса керна 52.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого керноотборного снаряда позволяет получить положительный результат при отборе керна, а именно:

- применение тонкостенной гильзы, отделяющей рычажки кернорвателя от керна в процессе бурения, обеспечивает:

а) предотвращение возможного разрушения керна рычажками кернорвателя, что повышает вынос и сохранность керна;

б) предотвращение абразивного износа рычажков кернорвателя о поверхность выбуриваемого керна и их последующей поломки, что способствует повышению надежности работы кернорвателя при отделении керна от забоя и последующего удержания в керноприемнике при подъеме на поверхность, а следовательно, повышает вынос керна;

- благодаря расположению длинных и коротких рычажков кернорвателя в разных диаметральных плоскостях предотвращается высыпание из керноприемника керна, представленного рыхлыми и рассыпающимися породами, а следовательно, обеспечивает повышение выноса керна;

- благодаря применению дополнительной трубы, вставленной в керноприемник с возможностью перемещения и оснащенной в верхней части перемычкой, взаимодействующей с выбуренным керном, а нижней частью соединенной с гильзой, зафиксированной относительно корпуса кернорвателя упруго деформируемыми упорами, обеспечивается освобождение рычажков кернорвателя и их взаимодействие с выбуренным керном только в конце процесса бурения, что в сочетании с расположением коротких и длинных рычажков в различных диаметральных плоскостях корпуса кернорвателя обеспечивает надежность отделения керна и последующего удержания в керноприемнике при подъеме на поверхность, а следовательно, обеспечивается повышение выноса керна;

- благодаря оснащению верхнего переводника клапаном регистрации заклинки керна оперативно, в реальном режиме времени, обеспечивается информация о моменте заклинки керна в узле отделения керна, чем предотвращается дальнейшее бурение сплошным забоем и, следовательно, обеспечивается повышение выноса керна;

- благодаря оснащению керноприемника механизмом антизаклинивания в самом начале процесса заклинивания керна обеспечиваются вращательные и возвратно-поступательные продольные перемещения керноприемника относительно керна, что позволяет ликвидировать заклинивание керна и обеспечить дальнейшее бурение на всю запланированную длину рейса, сокращая временные затраты на спуско-подъемные операции.

Керноотборный снаряд, содержащий корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб, коронку с расточкой, керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, содержащей корпус с подшипниками и осью, и регулируемой подвеской, включающей стопорное кольцо, регулировочный винт, соединенный с осью опоры вращения, и гайку, взаимодействующую с регулировочным винтом и установленную без возможности вращения в расточке верхнего переводника на верхний торец корпуса, причем в гайке выполнены циркуляционные отверстия, узел отделения керна от забоя, включающий башмак, соединенный с керноприемником, и рычажковый кернорватель, установленный в башмаке и содержащий корпус и подпружиненные короткие и длинные рычажки, установленные в диаметральной плоскости корпуса кернорвателя с возможностью поворота, отличающийся тем, что в керноприемник установлена с возможностью продольного перемещения дополнительная труба, в верхней части которой установлена перемычка, с которой взаимодействует поступающий в трубу керн, узел отделения керна дополнительно снабжен установленной в корпус кернорвателя с возможностью продольного перемещения гильзой, нижняя часть которой выполнена в виде упругодеформируемой разрезной цанги с уступами на ее внешней поверхности, взаимодействующими с нижним торцом корпуса кернорвателя, а верхняя часть выполнена с уступом на ее внешней поверхности, взаимодействующим с верхним торцом корпуса кернорвателя и соединена с нижней частью дополнительной трубы, рычажки кернорвателя, взаимодействующие с внешней поверхностью гильзы, расположены в разных диаметральных плоскостях, причем короткие рычажки расположены над длинными рычажками, гайка подвески керноприемника установлена в расточке верхнего переводника с возможностью продольного перемещения, верхний переводник дополнительно снабжен клапаном регистрации заклинивания керна, содержащим неподвижную втулку, в которой выполнены боковые и центральное циркуляционные отверстия, и снабженную пружиной сжатия подвижную втулку с циркуляционными отверстиями, установленную в расточке верхнего переводника с возможностью продольного перемещения и взаимодействующую нижним торцом с верхним торцом гайки подвески, а верхней частью разъемно соединенной с неподвижной втулкой с возможностью продольного перемещения, причем разъемное соединение выполнено в виде гладкой цилиндрической поверхности контакта, верхняя часть керноприемника снабжена механизмом антизаклинивания керна, выполненным в виде одного или нескольких выступов клинообразной формы, расположенных по окружности на нижнем торце гайки подвески керноприемника, и взаимодействующих с ними аналогичных ответных одного или нескольких выступов клинообразной формы, содержащих скосы и уступы и расположенных по окружности на верхнем торце корпуса опоры вращения, причем ось опоры вращения выполнена в виде ступенчатой втулки, установленной на регулировочном винте с возможностью продольного перемещения, и снабжена пружиной сжатия, жесткость которой меньше жесткости пружины сжатия клапана регистрации заклинки керна, а расстояние между нижним торцом гайки подвески керноприемника и верхним торцом корпуса опоры вращения больше удвоенной высоты уступов выступов клинообразной формы.