Забойный датчик сигнализатора встречи угольных пластов Советский патент 1985 года по МПК E21B47/12 E21B47/18 

00

оо I Изобретение относится к горной технике, а именно к сигнализаторам встречи угольныг пластов в разведочных скважинах, и может быть использовано при проведении буровых работ в процессе поисков и разведки уголь ных месторождений. Известно устройство сигнализации границ угольных пластов, включающее датчик давления, подключенньй к линии нагнетания промьшочной жидкости, и расположенный между колонной бурильных труб и буровым снарядом забойный датчик. Сигнал о 1встрече границы угольного пласта в виде возрастания давления промывочно жидкости генерируется датчиком при резком, увеличении механической скорости бурения посредством перекрытия канала для прохода промывочной жидкости подпружиненным запорным органом с инерционным элементом П . Недостаток устройства заключается в том, что оно работоспособно только на угольных месторождениях с конт растным переходом из маркирующего горизонтаJ сложенного крепкими породами, в уголь как более мягкую среду. При наличии зоны переходных пород сглаживающих увеличение скорости бурения и скорости движения датчика, эффективность работы устройства значительно снизится, К недостаткам, снижающим качество работы устройства, относится также характеристика сигнала о встре че границы угольного пласта, В практике буровых работ при.разведке угольных месторождений известны случаи увеличения давления промьшочной жидкости в процессе бурения из-за подклинивания керна, зашламования промывочн. IX. каналов породоразрушаюшего инструмента, Такие повьшения да ления внутри рейса встречаются част при бурении по трещиноватым породам вязким .глинам и могут восприниматься как сигнал о встрече угольных пластов, Скорость же бурения по таким породам на ряде месторождений равна скорости бурения по углю. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является забoйi ый датчик сигнализатора встречи угольных пластов, выполненный в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого расположен полый подвижньй в осевом направлении щли82цевой вал с упругим элементом и запорный узел, при этом шлицевой вал со стороны последнего имеет радиальные отверстия для прохода промывочной жидкости. На поверхности установлен блок сигнализации, состоящий из подключенного к линии нагнетания промывочной жидкости датчика давления, выход которого соединен со средствами световой и звуковой сигнализации. Упругим элементом являет ся пакет тарельчатых пружин, сжатие которых пропорционально реакции забоя на породоразрушающий инструмент при переходе из породы кровли в угольный пласт . Недостатками такого сигнализатора встречи угольных пластов являются его низкие точность, надежность и долговечность, что обусловлено недостатками констру1гции датчика, кроме того, характер формируемого в виде повышения давления промьюочной жидкости в два раза сигнала о встрече угольного пласта.Такое повьшение давления в угленосной зоне может быть вызвано рядом причин: подклинивание керна, зашламование промывочных каналов коронки и др. При использовании такого сигнализатора всякое повышение давления до указанного предела может быть воспринято как сигнал о встрече утольного пласта. Принимая во внимание факт равенства технических скоростей бурения по углям и отдельным вмещающим породам, количество ложных срабатываний сигнализатора будет существенным, что в конечном итоге замедлит темпы разведочных работ. Недостаточная долговечность датчика определяется малым ресурсом рабочего времени гидравлического узла (запорный орган и гидравлическая гайка),В результате механического износа через 20 м бурения зазор между запорным органом и гайкой увеличивается, что приводит к снижению амплитуды импульсов давления из-за больших утечек жидкости через указанный зазор. Износ запорного органа приводит к необходимости смены ведущей по значимости детали датчика сигнализатора - шлицевого вала. Практика эксплуатации указанного сигнализатора показала низкую механическу:о прочность отдельных соединений датчика, в частности рез)бового соединения шлицевого вала с верхним переходником, что явилось причиной обрывов бурового инструмен та в указанном соединении и создания в скважинах аварийных ситуаций. Цель изобретения - повьпцение надежности и достоверности определения момента перехода породоразрушающего инструмента из породы в уголь за счет получения прерывистого сигнала встречи. Указанная цель достигается тем, что забойный датчик сигнализатора встречи угольных пластов, выполненный в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого расположен полый подвижный в осевом направлени шлицевой вал с упругим элементом и запорньтй узел, при этом шлицевой вал со стороны последнего имеет радиальные отверстия для прохода про- мывочной жидкости, снабжен полым подпружиненным предохранительным гидроклапаном, выполненным в виде ц линдр-поршня, стенки которого перфорированы тремя группами радиальны отверстий для прохода промывочной жидкости, а запорный узел расположе внутри предохранительного гидроклапана и выполнен в виде штока с поршнем, установленным на нем с воз можностью регулировки в осевом нап равлении. Забойный датчик снабжен набором сменных регулировочных колец, установленных внутри корпуса между предохранительным гидрокяапаном и пружин На фиг,1 изображена принципиальная схема сигнализатора угля; на фиг.2 - забойный датчик, разрез; на фиг.З -5 - взаимные положения де талей гидравлического узла, характе ризующие режимы работы забойного да чика. Сигнализатор включает (фиг. О расположенный между породоразрушаю щим инструментом 1 и колонной бурильных труб 3 забойный датчик 2. Установленный на поверхности блок 4 сигнализации имеет датчик- 5 давлени подключенный к нагнетательной магистрали 6 бурового насоса 7. Нагнета тельная магистраль через подвесной сальник 8 соединена с ведущей штаи гой 9 и через нее с колонной буриль ных труб 3. Последняя приводится во вращение буровым станком 10, опускается и извлекается из буровой скважины 11 с использованием мачты Блок 4 сигнализации имеет источники звукового 13 .и светового 14 сигналов. Забойный датчик (фиг.) включает муфту 15 замка, упорный переходник 16, шлицевой вал 17, шлицевой переходник I8, верхний патрубок 19, пакет тарельчатых пружин 20, средний переходник 21, уплотнение 22, гайку 23 уплотнения, средний патрубок 24, контргайку 25, шток 26, поршень 27 малый, шайбу 28, гайки 29, кольцо 30поршневое, цилиндр-поршень 31, переходник-цилиндр 32, кольца 33 регулировочные, пружину 34, патрубок 35 нижний, переходник.36 нижний, ниппель 37 замка. Осевая нагрузка передается через датчик по следующим деталям муфта 15 замка, верхняя часть шлицевого вала 17, тарельчатые пружины 20,средний переходник 21 и далее по корпусу датчика через ниппель 37 замка на породоразрушающий инструмент. Нагрузка на пружины ограничена упорным пер еходник ом 16. Крутящий момент через датчик передается, в последовательности: муфта 15 замка, пшицевой вал 17, шлицевой переходник 18 и далее по корпусу датчика. За счет расположения пружин ниже шлицевого соединения упрочнена нагруженная часть шлицевого вала 17, Для прохода промывочной жидкости шлице- вой вал 17 имеет сквозное осевое отверстие и два радиальных отверстия в нижней части, В цилиндре-поршне 31выполнены осевое и три группы радиальных отверстий для прохода промьточной жи; кости. Запорный орган датчика, выполненный в виде штока 26 с износоустойчивым быстросъемным поршнем 27, крепится к нижней части шлицевого вала 17 резьбовым соединением, позвбляющим изменить, исходное положение первого и регулировать граничные значения рабочих зон датчика. Деталь, служащая цилиндром для поршня 17, имеет на своей наружной поверхности поршневое кольцо 30 и выполняет функции поршня в переход- . нике-щ1линдра 32, Совместно с пружиной 34 и переходником-цилиндром 32 цилиндр-поршень 31 образует предохранительный гчдрокдапан, а.в комплексе 5 с запорным органом в виде штока 26 с поршнем 27 - гидравлическую систему. Для регулирования амплитуды гидра влических импульсов предохранительный гидроклапан снабжен набором сменных регулировочных колец. С целью предупреждения перетоков промывочной жидкрсти из гидравлической системы датчика в пружинно-шлиц вую часть в среднем переходнике 21 установлено уплотнение 22. Сигнализатор угля работает следую щим образом. На фиг.2 показано положение деталей датчика,соответствующее режиму спуска бурового снаряда в скважину,даподхода к забою и промывки скважины без нагрузки. Движение промывочной жидкости через датчик (показано стрелками) осуществляется беспрепятственно к забою скважины. Тарельчатые пружины пр.и этом разжаты. При бурении по вмещающим породам находящимся в кровле угольного плас ta, тарельчатые пружины сжаты пропорционально реакпди забоя скважины С изменением механических свойств вмещающих пород меняются соответственно реакция забоя и деформация па кета пружин. При увеличении нагрузо на забой и обратной связи реакции забоя Bbmie предела, определенно го конструкцией датчика, нагрузка на тарельчатые пружины не передаетс и деформация их остается постоянной Положение элементов гидравлической системы датчика в указанном режиме изображено на фиг,3. Промывочная жид кость через датчик беспрепятственно проходит к забою скважины. Изменение реакции забоя в сторон уменьшения при переиоде породоразрушающегс инструмента из породы в уголь, обусловленное различными механическими свойствами слоя породы, лежащего непосредственно над углем, и самого угля в определенных пределах постоянно для конкретного угол ного месторождения. Именно на такие пределы изменения реакции, забоя и регулируется датчик, Корректировк пределов в ту или другую сторону дл различных угольных месторождений осуществляется сменой исходного пол жения запорного органа. При уменьшении реакции забоя тарельчатые пружины разжимаются и запорный орган, связанный со шлицевым валом, переместится вверх. Положение элементов гидравлической системы датчика, соответствующее моменту перехода породоразрушающего инструмента из породы в уголь, изображено на фиг,4, Циркуляция промывочной жидкости через .гидравлическую систему прекращается, что сопровождается импульсом давления, распространяющимся по столбу промывочной жидкости со скоростью 1200 м/с. При достижении возрастающим давлением величины, на которую отрегулирован предохранительный гидроклапан, цилиндр-поршень 31 перемещается вниз, сжимая пружину 34, и занимает положение, указанное на фиг,5, открывая каналы для прохода прог«11вочной жидкости через гидравлическую систему датчика. После падения давления ниже величины срабатывания предохранительного ,гидройлапана цилиндр-поршень 31 под действием пружины 34 занимает исходное положение и цикл повторяется. Таким образом, в момент встречи угольного пласта в забойном датчике формируются и по столбу промывочной жидкости мгновенно передаются прерывистые гидравлические импульсы определенной амплитуды. Блок сигнализации, подключенный к нагнетательной магистрали бурового насоса, подает согласно импульсам давления прерывистый световой и звуковой сигнал. Достоинством предлагаемого датчика сигнализатора является отличие сигнала в момент встречи угольного пласта от возможного повышения давления промьшочной жидкости при самоподклинив а НИИ керна, зашламования промывочных каналов породоразрушаюш;его инструмента и др, в процессе бурения по углевмещающим породам, сокращение, , таким образом, числа ложных срабатываний сигнализаторов встречи угольных пластов и повы-. шение надежности определения момента перехода породрразрушающего инструмента из породы в уголь. Возможность предварительного регулирования исходного положения запорного органа, а также амплитуды импульсов предохранительного гидроклапана в забойном датчике позволяет проводить стендовую настройку сигнализатора на приделы изменения реа ции забоя при встрече угольного пласта, характерные для каждого конкретного угольного месторождения что гарантирует точность работы сигнализатора угля. Резкие изменения механической скорости бурения, крутящего момента и других параметров 0урения при встрече угля не являются обязательными для надежной работы данного за 1888 бойкого датчика, так как принцип его действия основан на изменении реакции забоя за счет разницы в прочности угля и породы, лежащей непосредственно над ним. Конструкция датчика сигнализатора повьшает его долговечность за счет увеличения ресурса рабочего времени шлицевого вала, тарельчатых пружин и запорного органа и снижает объем ручного труда.

1.ЗАБОЙНЫЙ ДАТЧИК СИГНАЛИЗАТОРА ВСТРЕЧИ УГОЛЬНЫХ Ш1АСТОВ, выполненный в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого расположен полый подвижный в осевом направлении шлицевой вал с упругим элементом и запорный узел, при этом шлицевой вал со стороны последнего имеет радиальные отверстия для прохода промывочной жидкости, о тличающийся тем, что,с целью повышения надежности и достоверности определения момента перехода породоразрушающего инструмента из породы в уголь, он снабжен полым подпружиненным; предохранительным гидроклапаном, выполненным в виде цилиндр-поршня, стенки которого перфорированы тремя группами радиальных отверстий для прохода промьшочной жидкости, а запорный узел расположен внутри предохранитель-, ного гидроклапана и выполнен в виде штока с поршнем, установленным на нем с возможностью регулировки в осевом направлении. 2. Датчик по , о т л и ч al(П ю щ и и с я тем, что, с целью обеспечения возможности регулирования амплитуды гидравлических импульсов, он снабжен набором сменных регулировочных колец, установленных внутри корпуса между предохранительньм гидроклапаном и пружиной.

-2

Фиг.г

Фиг.З

Фиг.1