БУРОВОЙ СНАРЯД Российский патент 2000 года по МПК E21B10/64 

Изобретение относится к области технических средств для геологоразведочного бурения с отбором керна с заменой буровой коронки без подъема труб, а более конкретно, к буровым снарядам со съемным керноприемником системы ССК.

Известен буровой снаряд (патент США N 4281722), который содержит съемную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, наружную трубу, соединенный с ней ведущий башмак с установочным пазом и запорной гильзой вращательного действия, ориентирующее устройство и устройство транспортирования, выполненное в виде двух транспортеров: один - для извлечения коронки, другой - для постановки ее на забой. Каждый из этих транспортеров снабжен механизмом перевода коронки в рабочее или транспортное положение, состоящим из головки транспортера, включающей поплавок, плунжер и шарики для соединения с внутренней поверхностью коронки, а также двух приводных рычагов для подвески механизма перевода коронки к корпусу транспортера. Корпус каждого транспортера снабжен винтовым валом и приводом механизма, состоящего из кулачковой трубы, поворотного стержня и запорного диска. Транспортеры отличаются друг от друга направлением винтовых линий на винтовых валах.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В процессе бурения коронка соединена с наружной трубой. Крепление коронки к ведущему башмаку наружной трубы производится за счет вращательного движения запорной гильзы, шпонки которой входят в зацепление с пазами коронки путем взаимодействия подпружиненных штырей, расположенных на гильзе, и движущегося поступательно винтового вала, расположенного в корпусе транспортера. По мере наполнения керном керноприемную трубу извлекают из бурильной колонны, а в последнюю опускают устройство транспортирования и извлечения коронки, которое ориентируют и фиксируют так, чтобы головка механизма перевода в рабочее или транспортное положение вошла в полость коронки, а шарики механизма оказались напротив присоединительных пазов внутренней поверхности коронки. Под воздействием нагнетаемой жидкости устройство транспортирования продавливают в скважину с поворотом в сторону, обратную направлению бурения. При этом шпонки, соединяющие наружную трубу с коронкой, расклиниваются, и коронка отсоединяется от наружной трубы, в каналы механизма перевода коронки промывочной жидкостью подаются шарики с частичным заходом в сферические пазы коронки. Таким образом коронка и устройство ее транспортирования оказываются сочлененными. Отсоединенную от наружной трубы коронку и транспортер продавливают на некоторое расстояние вниз (для создания зазора между коронкой и нижним торцом башмака наружной трубы) в направлении забоя, где механизм перевода коронки в рабочетранспортное положение разворачивает ее на угол 90^o в транспортное положение. Все описанные операции производятся путем взаимодействия между собой винтового вала, кулачковой муфты, поворотного стержня, запорной гильзы, подпружиненных штырей, поплавка с плунжером и приводных рычагов.

Спуск коронки производится при помощи второго транспортера, работающего на спуск при взаимодействии упомянутых выше элементов транспортера.

Извлечение и спуск коронки в скважину осуществляется, таким образом, отдельно от керноприемной трубы при помощи специальных транспортных средств. Такое выполнение устройства транспортирования коронки обеспечивает сохранение диаметров керноприемной трубы и керна.

Однако наличие двух транспортеров, их конструктивная сложность (большое количество составных деталей и их элементов - около 600 шт.) - приводит к увеличению сложности изготовления, сборки, отладки и, как следствие, к повышению стоимости изготовления и эксплуатации всего снаряда.

Известен буровой снаряд по а.с. SU N 1049653A, E 21 B 10/64, 23.10.83, содержащий напорную трубу с выступами на нижнем торце, внутреннюю трубу, коронку с промывочными и фигурными лысками на наружной боковой поверхности для взаимодействия с боковыми гранями торцевых выступов наружной трубы и узел крепления коронки, включающий направляющую с лапами, связанными с коронкой при помощи осей, перпендикулярных к продольной оси снаряда, при этом направляющая жестко связана с лапами и выполнена в виде втулки с опорным буртом и размещена между наружной и внутренней трубами, последняя из которых выполнена с кольцевой проточкой на наружной поверхности под опорный бурт втулки, а коронка выполнена со смещенным относительно оси ее поворота центром тяжести.

Недостатком известного снаряда являются необходимость подъема коронки при каждом заполнении керноприемной трубы, возможность ее подклинки фрагментами керна при повороте и взаимодействии с наружной трубой, снижающие производительность и надежность снаряда, уменьшение диаметра керна, связанное с установкой направляющей для крепления коронки между наружной и внутренней его трубами.

Указанный снаряд выбран в качестве прототипа.

Сущность изобретения состоит в том, что буровой снаряда, включающий съемный керноприемник, поворотную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, цапфами на них и сквозными отверстиями; наружную трубу с присоединенным к ней ведущим башмаком с установочным пазом под коронку; запорную гильзу с опорными под цапфы коронки пазами и ориентирующий узел, размещенные внутри наружной трубы, снабжен транспортером с головкой, выполненной с подпружиненными пальцами под боковые отверстия коронки и с вертикальным пазом посредине; с внутренней полостью в корпусе и с подпружиненным ползуном в ней, несущим стержень - боек, проходящий в пазу головки; с надетой на корпус втулкой переключения с фиксаторами, а также систему выступов, углублений и прорезей на упомянутых и рубчатых элементах с образованием за счет их взаимодействия механизмов манипулирования коронкой, коронка выполнена с круглыми отверстиями концентрично ее цапфам, а упомянутые механизмы выполнены в виде единого автоматизированного манипулятора с рабочим органом и приводом к нему.

При этом рабочий орган выполнен в виде подпружиненных пальцев головки, двух нижних упоров - выступов под верхний торец коронки по обе стороны паза головки, и стержня-бойка с уширением внизу в форме кулачка под внутреннюю полость коронки. Паз в головке транспортера выполнен сквозным через всю головку, привод рабочего органа выполнен в виде телескопического узла, в котором ползун снабжен выступами в нижней части, в запорной гильзе в верхней части вырезаны полосы-пружины с наружными приливами, наружная труба выполнена с углублениями вверху и внизу скошенными к оси снаряда под приливы, корпус снабжен подпружиненным фиксатором к втулке переключения, смещенным относительно приливов, и снабжен направленными вниз перекрывающими шпонками, а также плоской пружиной к стержню-бойку. Втулка переключения выполнена с открытыми сверху пазами под верхнюю часть рабочего органа. Башмак выполнен с упорными выступами под нижний торец втулки переключения и под выступы ползуна.

На фиг. 1 показан общий вид наружной трубы.

На фиг. 2 - верхняя часть этой трубы. Наружная труба присоединена к бурильной колонне ССК и имеет ведущий башмак, запорную гильзу, ориентирующую обойму и стандартный расширитель.

На фиг. 3 изображено устройство транспортирования (его нижняя часть).

На фиг. 4 - верхняя часть этого устройства. Устройство показано со съемной коронкой (в положении постановки коронки на забой) с механизмом подвески и разворота коронки.

На фиг. 5 - 9 иллюстрируются этапы работы устройства транспортирования по постановке коронки в рабочее положение от момента движения транспортера с коронкой по трубам вниз (фиг. 5) и ее установки в запорной гильзе (фиг. 6) до разворота в рабочее положение (фиг. 7 и 8) и движение порожнего транспортера на поверхность (фиг. 9).

На фиг. 10 - 14 иллюстрируются этапы работы устройства транспортирования по извлечению коронки на поверхность от момента движения транспортера в трубах (фиг. 10) и присоединения к коронке (фиг. 11) до ее разворота в транспортное положение.

На фиг. 15 и 16 представлены боковые проекции втулки переключения транспортера коронки при ее спуске и подъеме соответственно.

Предлагаемый снаряд включает коронку 1 с плоскими боковыми стенками 2, снабженными цапфами 3 с центральными сквозными круглыми отверстиями 4 (фиг. 3); ведущий башмак 5 с алмазными штабиками 6 по наружной поверхности, с внутренними опорными приливами 7 и нижними приливами 8 для передачи вращения на коронку 1 (фиг. 1), наружную трубу 9 с проточкой 10, образующей выступ 11, и выступом 12 (фиг. 2).

Внутри наружной трубы расположены запорная гильза 13 с опорными пазами 14, выполненными с полукруглыми нижними кромками 15 под цапфы 3 коронки 1, с плоскими пружинами 16, снабженными приливами 17, и симметричными приливами 18; ориентирующая обойма 19 (фиг. 2) с двумя симметричными винтовыми прорезями 20, вертикальными прорезями 21 (фиг. 5) и заплечиком 22 для подвески в наружной трубе (фиг. 2).

Снаряд также включает транспортер, содержащий корпус 23 (фиг. 3 и 4) с двумя симметричными вырезами 24, с внутренней полостью (не показана позицией), с шаровой головкой 25, выполненной с диаметральным сквозным пазом (не показан позицией). Головка снабжена подпружиненными фиксаторами 26 (фиг. 7 и 9).

Транспортер содержит также пружину 27, ползун 28 и стержень-боек 29, соединенный с ползуном 28 упруго-подвижно посредством плоской пружины 30 (показана пунктиром) с ограниченным угловым отклонением (фиг. 7, 8 и 11). Нижняя часть стержня-бойка 29 выполнена в виде уширения с кромкой 31 в форме кулачковой поверхности.

Далее транспортер содержит втулку 32 переключения, надетую на корпус 23 транспортера, и подпружиненный фиксатор 33 в корпусе 23 транспортера (фиг. 3, 6 и др.).

Узел ориентации включает два подпружиненных и симметрично расположенных в корпусе 23 ориентирующих фиксатора 34 с овальными и угловыми срезами 35 (фиг. 4 и 5), с углами, равными углу наклона винтовых прорезей ориентирующей обоймы 19 и захватной (под овершот) грибок 36.

Наклонная кулачковая поверхность кромки 31 стержня-бойка 29 начинается с самой верхней точки (фиг. 7).

Корпус 23 транспортера имеет заплечик в виде выступа-упора 38 (фиг. 8) под торцевую верхнюю поверхность коронки 1 и два направляющих зуба 39.

Втулка 32 переключения с нижними торцами 40 выполнена с прорезями 41 внизу под уширение стержня-бойка 29 и пазами 42 вверху под направляющие зубья. При этом ширина приливов 17 на плоских пружинах 16, на одной линии с которыми расположены пазы 42 и зубья 39, превышает ширину этих пазов 42 и зубьев 39.

Сборку предлагаемого снаряда и съемной коронки на буровой производят следующим образом.

1. От расширителя на наружной трубе стандартного колонкового набора системы ССК, поднятого на поверхность, отвинчивают буровую коронку, а от керноприемной трубы - корпус кернорвателя с кернорвательным кольцом.

2. Керноприемную трубу наращивают специальным патрубком, который входит в комплекс набора. Это необходимо для компенсации разности длин стандартного и модернизированного снаряда. Затем к патрубку привинчивают кернорватель, снятый с колонкового набора, поднятого на поверхность.

3. К стандартным расширителю и наружной трубе вместо отвинченной коронки ССК привинчивают наружную трубу 9 с входящими в нее элементами, производят регулировку собранной керноприемной трубы по длине.

4. Собранный и отрегулированный снаряд (его неизвлекаемая часть с бурильной колонной) опускают в скважину.

5. Производят промывку скважину и в бурильную колонну забрасывают транспортер со съемной коронкой.

6. Из бурильной колонны извлекают (без коронки) транспортер и туда забрасывают съемный керноприемник; к колонне подсоединяют рабочую трубу, включают буровой насос и производят рабочие циклы бурения.

7. Производят подъем отработанной съемной коронки на поверхность.

Подъем отработанной коронки 1 производится при помощи транспортера, на корпусе 23 которого втулка 32 переключения установлена в нижнее положение (фиг. 10). Затем транспортер, удерживаемый над устьем скважины, забрасывают в бурильную колонну, к которой присоединяют рабочую трубу, и включают буровой насос. Под воздействием собственной массы и давления промывочной жидкости транспортер движется вниз до встречи подпружиненных ориентирующих фиксаторов 34 с ориентирующей обоймой 19 и их вхождения ("выщелкивания") в винтовые прорези 20 (фиг. 2 и 5). Скользя вниз по наклонным поверхностям прорезей, фиксаторы 34 поворачивают транспортер до тех пор, пока он не войдет в вертикальные прорези 21 ориентирующей обоймы 19 (фиг 5). После этого транспортер продолжает некоторое вертикальное перемещение вниз до упора подпружиненного фигурного стержня-бойка 29 в коронку 1 (фиг. 11). Но ввиду того, что запорная гильза 13, на которой подвешена коронка, еще не может переместиться вниз, так как заблокирована приливами 17, расположенными на пружинах пластинах 16, стержень-боек 29, упираясь в коронку, начинает перемещаться вверх и через ползун 28 сжимает пружину 27 (фиг. 10. 11) под воздействием массы транспортера. Одновременно транспортер, продолжая движение вниз, входит своей шаровой головкой 25 во внутреннюю полость коронки 1 до захода подпружиненных фиксаторов 26 в отверстия 4 (фиг. 3). В этот момент корпус 23 транспортера своими вырезами 24 встает напротив приливов 17 на пружинных пластинах 16 и деблокирует запорную гильзу 13, которая имеет теперь возможность освободиться от соединения с наружной трубой 9 (фиг. 11) путем захода приливов 17 в вырез 24 на корпусе транспортера.

Дальнейшее движение транспортера происходит до упора втулки 32 переключения в опорные приливы 7 ведущего башмака 5, вызывая оттеснение коронки 1 от ведущего башмака 5 и создание необходимого зазора для поворота коронки (фиг. 12).

Имея зазор и сцепление с подпружиненными фиксаторами 26, коронка 1 под воздействием фигурного стержня-бойка 29, опирающегося в ее торец и упруго передвигающегося вниз, благодаря работе сжатой пружины 27 (фиг. 12) разворачивается на 90^o и встает в транспортное положение (фиг. 3) и вместе с транспортером, захваченным овершотом, на тросе поднимается на ее поверхность (фиг. 14), после чего происходит отделение и замена коронки.

Спуск новой коронки производят после переключения втулки 32 транспортера на режим спуска, т.е. ее необходимо установить в вернее положение (фиг. 5 и 6).

После установки коронки 1 в положение, указанное на фиг. 3, транспортер, удерживаемый над устьем скважины, забрасывают в бурильную колонну, к которой присоединяют рабочую трубу и включают буровой насос. Под воздействием собственной массы и давления промывочной жидкости транспортер движется вниз до встречи подпружиненных ориентирующих фиксаторов 34 с ориентирующей обоймой 19 и их вхождения в винтовые прорези 20. Скользя по наклонным поверхностям прорезей площадками угловых срезов 35, фиксаторы 34 поворачивают транспортер в азимутальном направлении до тех пор, пока они не войдут в вертикальную прорезь 21 (фиг. 5) ориентирующей обоймы 19.

После этого коронка 1 вместе с транспортером продолжает некоторое уже вертикально направленное перемещение вниз (фиг. 5) до посадки сферических приливов 3 коронки 1 в седла 15 пазов 14 запорной гильзы 13 (фиг. 5). В этот момент корпус транспортера своими вырезами 24 встает напротив приливов 17 и освобождает запорную гильзу 13, которая с этого момента может освободиться от соединения с наружной трубой 9 путем захода приливов 17 в вырезы 24 на корпусе транспортера (фиг. 6). Дальнейшее свободное движение транспортера происходит до упора ползуна 28 в опорные приливы 7 на внутренней поверхности ведущего башмака 5. После этого происходит упругое благодаря сжатию пружины 27 перемещение корпуса 23 транспортера до упора верхней части внутренней полости коронки 1 в верхнюю точку 37 наклонной поверхности 31 кулачка стержня-бойка 29 (фиг. 7). Дальнейшее движение корпуса транспортера вызывает благодаря наклонной поверхности 31 поступательно-вращательное движение коронки 1 вниз и занятие ею горизонтального положения с упором ее левого нерабочего торца в упоры-выступы 38 нижней части корпуса 23 транспортера. При этом ограничение движения корпуса 23 транспортера вниз происходит за счет упора нижних торцов 40 втулки 32 переключения в приливы 7 ведущего башмака 5 (фиг. 8). При развороте коронки 1 в горизонтальное положение подвижно-подпружиненный стержень-боек 29 освобождается от воздействия на нее коронки 1 и с помощью пружины 30 подается вправо, совершив ограниченное угловое отклонение, и фиксирует торцевой кромкой кулачка 31 коронку 1 от возможности обратного разворота при ее движении вверх до сочления (соединения) с ведущим башмаком 5 при постановке в рабочее положение (фиг. 8).

Ограниченное угловое отклонение фигурного стержня-бойка 29 становится возможным благодаря пружине 30 не только потому, что на стержень перестает действовать коронка 1, но и потому, что верхняя часть уширения стержня в виде пластины оказывается расположенной напротив прорезей 41 втулки переключения 32 (фиг. 8). Угловое отклонение пластины не происходит при подъеме отработанной коронки 1 на поверхность, так как в этом случае верхняя часть фигурной пластины не находится напротив прорезей 41 и заблокирована втулкой переключения 32 (фиг. 11, 12). Если спуск транспортера происходит не на овершоте, то в бурильную колонну сбрасывают овершот (не показан), и транспортер за счет натяжения троса поднимается вверх, подтягивает коронку 1 и соединяет ее с ведущим башмаком 5. Одновременно с этим происходит движение вверх и запорной гильзы 13 с ее пружинными пластинами 16, приливы 17 которых благодаря силам упругости занимают свое первоначальное положение на выступе 11 наружной трубы 9 и фиксируют коронку в неподвижном рабочем положении. Дальнейшее натяжение троса приводит к отрыву подпружиненных фиксаторов 26 от зацепления с коронкой, после чего транспортер поднимают на поверхность (фиг. 9), а в бурильную колонну забрасывают стандартный керноприемник типа ССК (не показан), которым при постановке в рабочее положение производят фиксацию приливов 17 запорной гильзы 13 в наружной трубе 9, а следовательно, и коронки 1 от вертикальных перемещений в процессе бурения
После этого производят рабочий цикл бурения до заполнения керноприемной трубы керном, затем - срыв керна при помощи кернорвателя, расположенного в керноприемнике, путем приподъема бурильной колонны, упора керноприемника в приливы 7 ведущего башмака 5 и подъема керноприемника на поверхность.

Изобретение относится к области горного дела и предназначено для использования в снарядах для бурения с отбором керна геологоразведочных скважин с заменой буровой коронки без подъема труб преимущественно в снарядах со съемным керноприемником. Все механизмы снаряда выполнены в виде единого автоматизированного манипулятора, в котором система подвески и разворота коронки, а также переключения режимов в рабочетранспортное положение состоит из сквозных круглых отверстий на боковых поверхностях коронки, расположенных концентрично ее цапфам, последние установлены с возможностью взаимодействия с опорами запорной гильзы, а отверстия - с подпружиненными пальцами - фиксаторами на головке транспортера, посередине которой выполнен сквозной паз с возможностью прохода через него нижней части стержня-бойка, выполненной с уширением в виде пластины с боковой кромкой кулачкового профиля и с возможностью размещения и поворота в полости буровой коронки. Стержень-боек выполнен с возможностью ограниченного углового перемещения посредством плоской пружины, а соединенный с ним ползун подпружинен относительно корпуса транспортера также посредством плоской пружины. Головка транспортера снабжена расположенными по обеим сторонам от упомянутого паза упорными выступами под верхний торец коронки и направляющими зубьями под пазы втулки переключения, размещенные в ее верхней части. В нижней части втулки выполнены прорези под уширение стержня-бойка. Упрощается конструкция снаряда, повышаются его надежность и производительность. 16 ил.

Буровой снаряд, включающий съемный керноприемник, поворотную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, цапфами на них и сквозными отверстиями, наружную трубу с присоединенным к ней ведущим башмаком с установочным пазом под коронку, запорную гильзу с опорными под цапфы коронки пазами и ориентирующий узел, размещенные внутри наружной трубы, отличающийся тем, что снаряд содержит транспортер с головкой, выполненной с подпружиненными пальцами под боковые отверстия коронки и с вертикальным пазом посередине, с внутренной полостью в корпусе и с подпружиненным ползуном в ней, несущим стержень-боек, проходящий в пазу головки, с надетой на корпус втулкой переключения с фиксаторами, а также систему выступов, углублений и прорезей на упомянутых трубчатых элементах с образованием за счет их взаимодействия механизмов манипулирования коронкой в виде единого автоматизированного манипулятора с рабочим органом и приводом к нему, при этой рабочий орган выполнен в виде подпружиненных пальцев головки, двух нижних упоров-выступов под верхний торец коронки по обе стороны паза головки и стержня-бойка с уширением внизу в форме пластины с боковой кромкой с контуром кулачка под внутреннюю полость коронки, паз в головке транспортера выполнен сквозным, а привод рабочего органа - в виде телескопического узла, в котором ползун снабжен выступами в нижней части, в запорной гильзе в верхней части вырезаны полосы-пружины с наружными приливами, наружная труба выполнена с углублениями
под приливы, скошенными вверху и внизу к оси снаряда, корпус снабжен подпружиненным фиксатором к втулке переключения, смещенным относительно приливов, двумя направляющими зубьями соосно приливам шириной, меньшей ширины приливов, и плоской пружиной к стержню-бойку, втулка переключения выполнена с двумя верхними пазами под зубья и с нижними пазами под рабочий орган, а башмак выполнен с упорными выступами под нижний торец втулки переключения и под выступы ползуна.