Двойной колонковый снаряд

Изобретение относится к буровому инструменту, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна. Техническим результатом является повышение надежности работы кернозахватного устройства и работы колонкового набора в целом при бурении скважин с использованием как жидких, так и газообразных очистных агентов. Поставленная цель достигается тем, что двойной колонковый снаряд содержит механический винтовой привод кернозахватного устройства. При этом кернозахватное устройство представляет собой винтовой вал, ввернутый в верхний переводник, причем нижний торец переводника оснащен кулачками, а в нижней части винтового вала выполнены сквозные продольные пазы, в которых размещен взаимодействующий с кулачками переводника стопорящий элемент. Причем стопорящий элемент выполнен в виде втулки с радиальными выступами и гнездом под сбрасываемый клапан, размещенной в полости вала и подпружиненной относительно последнего с предварительным поджатием, обеспечивающим удержание ее в верхнем положении в процессе бурения. 2 ил.

 

Предлагаемый двойной колонковый снаряд относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.

Известно, что при бурении скважин в сложных по получению керна геологических условиях надежный срыв и удержание керна разрушенных, несвязных горных пород могут обеспечить лишь двойные колонковые снаряды с принудительным захватом керна, оснащенные эффективными кернозахватными элементами и надежными механизмами для их принудительного срабатывания.

Под кернозахватным элементом (КЗЭ) понимается «рабочий орган кернозахватного устройства (КЗУ), непосредственно взаимодействующий с керном с целью его отделения (отрыва) от забоя, захвата и удержания при подъеме бурового снаряда из скважины» (см. Н.Г.Егоров. Бурение скважин в сложных геологических условиях. - Тула; ИПП «Гриф и К», 2006, с.206; Н.Г.Егоров. Колонковые снаряды с кернозахватными устройствами. М., 1997, Обзор «Техн., технол. и организация геол.-развед. работ», АОЗТ «Геоинформмарк», с.9, 10).

Под кернозахватным устройством (КЗУ) понимается «механизм, состоящий из кернозахватного элемента (элементов) и приспособления для привода их в действие с целью отрыва от забоя, захвата и удержания керна» (см. там же).

Известен двойной колонковый снаряд по а.с. 1411431, МКИ Е21В 25/00, в дальнейшем усовершенствованный по полезной модели №10770, МКИ Е21В 25/00, содержащий наружную колонковую трубу с породоразрушающим инструментом, внутреннюю керноприемную трубу с кернозахватным элементом в виде деформируемого шлипса, гидравлический затвор, корпус которого закреплен в наружной трубе, а золотник соединен снизу с переводником внутренней керноприемной трубы, а сверху - посредством штока со сферической головкой с приводным поршнем, имеющим гнездо под сбрасываемый клапан.

Известный двойной колонковый снаряд хорошо зарекомендовал себя за многие годы использования в разных условиях при бурении скважин с применением в качестве очистного агента промывочной жидкости. В этом снаряде принудительный захват керна производится при подаче на приводной поршень усилия от повышенного давления промывочной жидкости, возникающего после перекрытия сбрасываемым клапаном проходного отверстия в поршне. При этом усилие на поршень и далее через шток, золотник гидрозатвора, внутреннюю керноприемную трубу на кернозахватный элемент вполне достаточно для полного перемещения КЗЭ в зазор между керном и конусной внутренней поверхностью породоразрушающего инструмента.

Однако при бурении скважин с использованием в качестве очистного агента сжатого воздуха усилие на приводной плунжер развивается существенно меньшее, т.к. давление сжатого воздуха в призабойной части скважины обычно не превышает 0,5…1,0 МПа. В связи с этим создаваемое на поршень усилие не может обеспечить полное принудительное перемещение КЗЭ для надежного захвата керна.

В таких случаях требуется применить для перемещения КЗЭ другой механизм, не зависящий от вида и параметров очистного агента.

Этим условиям удовлетворяют снаряды с принудительным захватом керна от механических усилий (см. Н.Г.Егоров. Бурение скважин в сложных геологических условиях. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2006, с.216-217; Н.Г.Егоров. Колонковые снаряды с кернозахватными устройствами. М., 1997, Обзор, АОЗТ «Геоинформмарк», с.15-16, 42-47).

Из известных устройств для принудительного захвата керна от приложения механических усилий более близким по технической сущности предлагаемому изобретению является «Устройство для отлома и захвата керна в буровой скважине по а.с. 106272 (кл. 5а, 37; 5а, 24₁₀), в котором для принудительного перемещения кернозахватного элемента (цанги) относительно наружной трубы применено приводное устройство, представляющее собой винтовой вал, ввернутый в верхний переводник, причем нижний торец переводника оснащен кулачками (выступами), а в нижней части винтового вала выполнены сквозные продольные пазы, в которых размещен взаимодействующий с кулачками переводника стопорящий элемент в виде стального стержня, который должен выходить из зацепления с упорами (кулачками) после удара по нему стальной пикой, сбрасываемой с поверхности внутри бурильных труб.

Достоинствами устройства являются:

сравнительная простота конструкции,

возможность одновременно с захватом керна осуществить фиксацию кернозахватного элемента в зажатом состоянии.

Серьезным недостатком устройства является высокая вероятность отказов в работе в связи с заклиниванием стержня в пазах, в которых он при бурении удерживается за счет сил трения: при очень плотной посадке стержень трудно выбить из пазов; при неплотной посадке возможен произвольный выход стопорящего стержня из зацепления с упорами и пазами и преждевременное срабатывание винтового соединения, что может привести к слому кернозахватного элемента и создать аварийную обстановку в скважине.

Другим серьезным недостатком устройства является неудовлетворительная защита керна от разрушения (размывания) промывочной жидкостью в процессе бурения.

Целью предлагаемого технического решения является создание универсального двойного колонкового снаряда, обеспечивающего сохранение керна в процессе бурения и надежный принудительный захват его с фиксацией захвата при бурении скважин с использованием как жидких, так и газообразных очистных агентов.

Поставленная цель достигается тем, что применен механический, а именно винтовой, привод кернозахватного устройства двойного колонкового снаряда, в котором стопорящий элемент выполнен в виде размещенной в полости винтового вала втулки с радиальными выступами, входящими в пазы винтового вала, причем втулка имеет в верхней части гнездо под сбрасываемый клапан и подпружинена относительно винтового вала с предварительным поджатием, достаточным для удержания ее в верхнем положении в процессе бурения.

Благодаря использованию в качестве стопорящего элемента размещенной в полости винтового вала втулки с радиальными выступами и с гнездом под сбрасываемый клапан и подпружиниванию втулки относительно винтового вала с предварительным поджатием, обеспечивающим в процессе бурения удержание ее в верхнем положении:

1. Обеспечивается высокая надежность устройства за счет исключения отказов в срабатывании стопорящего устройства:

- возможность заклинивания выступов в продольных пазах резко снижается, поскольку нет необходимости обеспечивать их сцепление за счет сил трения, в связи с чем выступы стопорящего элемента входят в пазы свободно,

- произвольный выход стопорящего элемента из зацепления с кулачками переводника исключается, поскольку втулка с выступами в верхнем положении (то есть в состоянии зацепления выступов втулки с кулачками переводника) постоянно надежно удерживается пружиной, предварительное поджатие которой достаточно для противодействия возможным воздействиям на верхний торец втулки (например, от прокачиваемого очистного агента);

2. Появляется возможность создать усилие на стопорящий элемент (для вывода его из зацепления с кулачками с целью обеспечения свободного вращения винтового вала и организации за счет этого принудительного захвата керна) путем перекрытия канала во втулке стопорящего элемента сбрасываемым с поверхности внутри бурильных труб клапаном. Клапан ложится в гнездо втулки, за счет создаваемого очистным агентом давления на втулку возникает усилие, достаточное для сжатия поддерживающей втулку пружины, при этом выступы стопорящего элемента выходят из зацепления с кулачками нижнего переходника.

Таким образом, предлагаемый двойной колонковый снаряд, полностью сохраняя достоинства по сохранению керна в процессе бурения, присущие двойному колонковому снаряду по патенту на изобретение №1411431 и полезной модели №10770, приобретает новое важное достоинство - обеспечивает принудительный захват керна при использовании всех видов очистных агентов (не только жидких, но и газообразных), то есть становится универсальным.

Предлагаемый двойной колонковый снаряд изображен на фиг.1 (продольный разрез) и фиг.2 (сечение А-А).

Двойной колонковый снаряд содержит наружную колонковую трубу 1 с коронкой 2, внутреннюю керноприемную трубу 3 с кернозахватным элементом 4, корпус 5 распределительного узла с системой вертикальных и радиальных каналов, размещенный в корпусе золотник 6, соединенный снизу с переводником 7 внутренней трубы, а сверху - с приводом кернозахватного устройства, в состав которого входят верхний переводник 8, ввернутый в него винтовой вал 9 с продольными сквозными пазами в нижней его части, стопорящий элемент 10 в виде втулки с радиальными выступами, опирающийся на пружину 11 через опорное кольцо 12, и шток 13, соединяющий винтовой вал с золотником.

Привод кернозахватного устройства (детали 8-13) соединен с распределительным узлом (детали 5, 6) патрубком 14.

Золотник в корпусе распределительного узла герметизирован уплотнительными элементами 15.

Двойной колонковый снаряд работает следующим образом.

В собранном виде (как показано на фиг.1) двойной колонковый снаряд опускается в скважину, посадка на забой производится с подачей очистного агента по бурильным трубам (не показаны). Очистной агент через пазы винтового вала, по вертикальным каналам распределительного узла, в зазоре между наружной и внутренней колонковыми трубами поступает к коронке; в призабойной части нисходящий поток очистного агента разделяется на 2 восходящих потока: один поднимается вверх в кольцевом зазоре между наружной колонковой трубой и стенками скважины, другой поднимается во внутренней трубе, проходит через фильтр 16, по внутреннему вертикальному каналу золотника и по радиальным каналам золотника и корпуса распределительного узла выходит в кольцевой зазор между наружной колонковой трубой и стенками скважины выше кольцевого пояска увеличенного диаметра, который играет роль пакера на пути наружного восходящего потока с целью создания препятствия этому потоку и увеличения количества очистного агента, проходящего во внутренней полости керноприемной трубы.

Вращение на коронку передается от винтового вала с помощью радиальных выступов стопорящего элемента, сцепляющих между собой винтовой вал и кулачки, имеющиеся на нижнем торце верхнего переходника. Осевое усилие на породоразрущающий инструмент передается от колонны бурильных труб через застопоренный винтовой вал, верхний переводник, патрубок, корпус распределительного узла и наружную колонковую трубу.

Внутренняя керноприемная труба в процессе бурения не вращается благодаря оригинальному шарнирному соединению штока, оснащенного сферической головкой, и золотника распределительного устройства, имеющего для него соответствующее гнездо.

По окончании процесса бурения с поверхности внутри бурильных труб сбрасывается клапан-выключатель 17, который ложится в гнездо втулки стопорящего элемента. Включается подача очистного агента, создается повышенное давление в системе, от образующегося усилия стопорящий элемент, сжимая пружину, опускается вниз. При этом радиальные выступы стопорящего элемента внутри сквозных пазов винтового вала опускаются вниз и выходят из зацепления с кулачками верхнего переводника. Винтовой вал расфиксирован. Включается медленное вращение бурильных труб на несколько оборотов, при этом приводной узел перемещает вниз золотник и внутреннюю трубу с кернозахватным элементом, который входит в зазор между керном и коронкой, надежно захватывает его и в зажатом положении фиксируется.

Двойной колонковый снаряд поднимается из скважины. Кернозахватный элемент расфиксируется вращением винтового вала влево (при этом с помощью какого-либо стержня вручную создается усилие на втулку стопорящего элемента с целью вывода ее выступов из зацепления с кулачками верхнего переходника), после чего керн извлекается из внутренней трубы с КЗЭ.

Двойной колонковый снаряд, содержащий наружную колонковую трубу с породоразрушающим инструментом, внутреннюю керноприемную трубу с кернозахватным элементом, установленный на наружной колонковой трубе корпус распределительного узла с системой вертикальных и радиальных каналов, размещенный в корпусе золотник, соединенный снизу с переводником внутренней трубы, а сверху - с приводом кернозахватного устройства, представляющим собой винтовой вал, ввернутый в верхний переводник, причем нижний торец переводника оснащен кулачками, а в нижней части винтового вала выполнены сквозные продольные пазы, в которых размещен взаимодействующий с кулачками переводника стопорящий элемент, отличающийся тем, что стопорящий элемент выполнен в виде размещенной в полости винтового вала втулки с радиальными выступами, входящими в пазы винтового вала, причем втулка в верхней части имеет гнездо под сбрасываемый клапан и подпружинена относительно винтового вала с предварительным поджатием, обеспечивающим удержание ее в верхнем положении в процессе бурения.