Колонковый набор Советский патент 1985 года по МПК E21B25/00 E21B7/10 

4

90

а

О) Изобретение относится к горному делу, к средствам для бурения с отбором керна. Известны колонковые наборы, содержащие наружную трубу с переходником и коронкой, а также внутреннюю кернрприемную трубу 1. При бурении известными наборами удовлетворительный выход керна может быть получен TOjjbKo при ограниченной длине кер ноприемной трубы, поскольку при больших размерах наблюдается искривление набора и подклепка керна. Известны также колонковые наборы, где предусмотрены средства для увеличения жест кости и устойчивости керноприемной трубы, Такой колонковьй набор содержит наружную трубу с переходником и коронкой, а также размещенную между переходником и коронкой в упруго деформированном состоянии внутреннюю керноприемную трубу 2, Однако наличие предварительного напряжения в конструкции стабилизирует форму керноприемной трубы, но в то же время в результате деформации изгиба наружной трубы может вызвать искривление скважины при буренки с последующими осложнени ями. Цель изобретения - уменьшение искривления, скважины при бурении. Указанная цель достигается тем, что в колонковом наборе, содержащем наружную трубу с переходником и коронкой, а также размещенную между переходником и коронкой в упруго деформированном состоянии внутреннюю керноприемную трубу, последняя находится в состоянии сжатия и выполнена в виде группы состыкованных торцами патрубков с длиной, удовлетворяющей условию ви Р() где С - длина патрубка, м; )gj, - осевой момент инерции поперечног сечения внутренней трубы, м; площадь поперечного сечения наружной трубы, Sg - площадь поперечного сечения внут ренней трубы, Р - усилие предварительного сжатия внутренней трубы, кг; Е - модуль материала труб, МПа. Выполнение керноприемной трубы из груп пы патрубков определенной длины уменьщает величшгу поперечной силы, действующей в местах контакта ее с наружной трубой, и тем самым уменьшает величину прогиба набора под действием этой силы и при приложении осевой нагрузки. На фиг, 1 показан колонковый набор, разрез; на фиг. 2-5 - расчетные схемы для определения рациональной длины патрубков. Колонковый набор включает переходник 1, соединенный с наружной трубой 2, внутреннюю керноприемную трубу 3, собранную из сост;ыкованных своими торцами патрубков, и породоразрушающий инструмент 4, соеди- , ненный с наружной трубой 2. Внутренняя труба 3 устанавливается во внешнюю трубу 2 без зазора (в пределах технологического допуска на изготовление и сборку) и выполняется составной из состыкованных между собой патрубков, длина которых не превышает критическую длину для данных размеров поперечного сечения, что позволяет избежать продольного изгиба каждого отдельного патрубка и всего колонкового набора при предварительном напряжении колонкового набора на необходимое для практических целей усилие. Внутренний диаметр внутренней трубы 3 определяется как превышающий на 1-2 мм внртреннего диаметра породоразрушающего инструмента 4. Перед бурением при сборке колонкового набора производится предварительное сжатие внутренней грубы 3 закручиванием переходника 1. Усилие сжатия должно быть не менее усилия при бурении. Длина патрубков выбрана исходя из следующего. При предварительном напряжении компоновок малого диаметра для бурения с отбором керна и имеющих поэтому внутреннюю и наружную трубы, примерно, равных жесткостей (жесткость - EJ, где Е - модель ртругости материала трубы, J - осевой момент линерции поперечного сечения трубы), наблюдается деформация всей конструкции колонкового набора. Деформация компоновок наблюдается при предварительном напряжении за счет изгиба внутренней трубы в пределах зазора между наружной и внутренней трубами, который всегда присутствует в пределах технологических допусков, установленных на изготовление и для сборки компоновок. Изгибу также способствует несовершенство прочностных свойств материала, из которого изготовлены компоновки. Позтому для решения задачи предварительного напряжения компоновок для разведочного бурения с отбором керна предлагается изготавливать внутреннюю трубу из патрубков, длина которых равна критической длине по условию устойчивости, что позволяет избежать изгиба каждого отдельного патрубка. Перекосы в местах состыковки создают меньшую поперечную силу, чем в сплошной трубе, что видно из приведенных расчетов. Расчет проведен по известной методике, - изгйбная жесткость наружной трубь ; сила давления на внутреннюю поверхность на ружной трубы; f - прогиб в пределах зазора между наружной и внутренней трубами. Чтобы наружная труба не изгибалась, под действием изогнутой внутренней трубы, долж но соблюдаться условие R ЗР (фиг. 2). Рассмотрим конструктивную схему, когда внутренняя труба вьшолнена в виде целостного трубчатого элемента, подставив реальны значения для колонкового набора диаметром 57 мм с толщиной стенки 3,75 мм. Внутренняя труба диаметром 49,5 мм с толщиной стенки 3,0 мм.Е 210 кг/см, 1, 22 см , JgH 12 см, Г 100 см. , « - При f 0,05 см, 33 (144-0,05-3) 21, при f 0,08 см, 33 : (144-0,08-3) 34,6, Таким образом, при зазоре 0,08 см насту пит изгиб, а деформация наружной трубы б дет наблюдаться и при меньших зазорах. Также могут быть различные условия закрепления концов внутренней трубы. Например, если концы внутренней трубы защемле ны, то при тех же условиях поперечная си ла равна (фиг. 3). 2-10 -12-f р .f « 0,0093 - f - 8 0,0093 - 8 lo 3-f 322,7-f; При тех же значениях поперечная сила достигает очень больших значений R : 18lEiLt. .l22 64- 64 . Ш 48-E-Je« 48- 2 - f 144 кГ f Р( 2P.,+ P 645,4-f+144-f 789,4-f; 33(789,4 0,05) 39,47, т.е. прогиб наступит еще )аньше. Если внутренняя труба представляет собой собранную из состыкованных патрубков, длина которых равна критической по условию устойчивости, каждый отдельный патрубок не получит изгиба, а перекосится во внешней трубе в пределах зазора. Причем перекос патрубков будет не симметричным, а беспорядочным за счет неточности при обработке торцовых поверхностей патрубков, что еще больше уменьшит суммарную поперечную силу из-за беспорядочной ориентации единичных Рассмотрим перекос в виде полуволны (фиг. 4). Определим длину патрубка, исходя из критической силы ВС 2-f 0,1 см; АС 220 см; sin . 2it ai 4,5-10AC 220 PI Sin у Р 2.27 кГ. R . 24,8 КГ; Р, Р, 85-184-103 Г Р изгибное равно 4,54 кГ. Таким образом, поперечная сила в последнем случае значительно меньше, что позволяет сжимать внутреннюю трубу для предварительного напряжения колонкового набора с требуемым усилием. По дл1ше патрубков меньше критической увеличивается количество стыков по длине колонкового набора, что отрицательно сказывается на условия кернообразования, что крайне нежелательно. Таким образом, оптимальной длиной патрубков является длина, равная крититеской величине по условию устойчивости. Для сжатия внутренней трубы применяются усилия, которые не создают усилие предаарительного растяжения в наружной трубе, превышающее величину осевого усилия, определяемого технологическими режимами бурения. Ограничение нагрузки позволит обеспечить полную сопротивляемость изгибу колонкового набора от осевого усилия, а также избежать излишней деформации колонкового набора. Определим силу сжатия внутренней трубы РХ согласно расчетной схеме (фиг. 3).

Внутренняя труба, сжатая силой РХ, должна быть длиннее наружной трубы на величину где Е - длина наружной трубы, м; S..- площадь ноперечного сечения внутЬН--.2 реннеи трубы, м ; Е - модуль упругости материала внутре ней трубы, МПа. Сжатая усилием РХ внутренняя труба удерживается в сжатом состоянии и растягивает наружную трубу усилием Р, равным осевому усилию при бурении. Деформация растяжения в наружной трубе равна где 8ц - площадь поперечного сечения наруж ной трубы, м. Внутренняя труба изменяет свою деформацию и сжимается на величину .0 РР лг г- , м.. Согласно расчетной схеме Л 4. + 4Г После преобразова1шй получим P(S.fS Так как напряжение в материале внутренней трубы не превышает предела пропорциональности материала и считая заделку концов патрубков щарнирной, критическая нагрузка сжатия определится известной формулой Эйле где JBH- осевой момент инерции поперечного I сечения внутренней трубы, м, РП - длина патрубка, м.

Согласно условию устойчивости патрубков РХ не должно превыщать Р„

кр -AVfaHl После преобразований рациональная длина патрубка будет определена вн5н ) Таким образом, если длина патрубков определяется по предложенной формуле, то удается получить предварительное напряжение колонкового набора с требуемым усилием без деформации всей конструкции, что необходимо для бурения скважины малого диаметра с минимальной интенсивностью искривления. Колонковый набор работает следующим образом. При бурении на колонковый набор оказывают действие осевая, центробежная силы и опрокидьтающий момент забоя скважины. Осевую нагрузку воспринимает наружная труба 2. Так как наружная труба 2 предварительно растянута усилием, равным осевому усилию, она не изгибается, что и обеспечивает снижение искривления скважины. По известным методикам проведены расчеты, которые позволяют сделать вывод о степени интенсивности искривления при бурении предлагаемым и серийным колонковыми наборами диаметром 57 мм и толщиной стенки 3,75 мм (базовый объект). Усилие предварительного сжатия 2000 кГ. Данные расчета сни-i жения искривления при бурении базовым объектом, известным и предлагаемым колонковыми наборами приведены в таблице. Жесткость известного набора равна жесткости базового обьекта при равенстве их диаметров, поэтому можно считать, что расчетная интенсивность- искривления, по сравнению с известным и базовым о€гьектами, снизится не менее чем в 2 раза при бурении предлагаемым колонковым набором.

КОЛОНКОВЫЙ НАБОР, содержащий наружную трубу с переходаиком и коронкой, а также размещенную между переходником к коронкой в упруго деформированном состоянии внутреннюю керноприемную трубу, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искривления скважины при бурении, внутренняя керноприемная труба находится в состоянии сжатия и выполнена в виде группы состыкованных торцами патрубков с длиной, удовлегеоряющей условию Р( где Е - длина патрубка, м; осевой момент инерцин поперечного сечения внутренней трубы, м; Sj, - площадь поперечного сечения наруяаюй трубы, м; Sgj, - площадь поперечного сечения внутренней трубы, Р - усилие предварительного сжатия (Л внутренней , кг; В - модуль упругости мате|яила труб, МПа.

aii

R- К-2

4t

-E 0.5S3 21

Фиг.д .2Pi-P

РХ

.ё