Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов Советский патент 1991 года по МПК E21B49/00 

Изобретение относится к гидрогеоме- ханике, в частности к устройствам для исследования процессов, происходящих в грунтовом массиве при отборе проб несвязных грунтов морскими колонковыми пробоотборниками.

Целью изобретения является повышение достоверности исследования за счет из- мерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки.

На чертеже показан стенд, общий вид.

Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов содержит колонковый снаряд, включающий наружную 1 и керноприемную 2 трубы, промежуточный элемент 3, выполненный, например, также в виде трубы, установленный между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и жестко связанный посредством резьбы с башмаком 4. Наружная 1 и кер- ноприемная 2 трубы размещены относительно башмака 4 с зазорами, в которые установлены резиновые кольца 5. Кернопри- емная труба 2 снабжена сливным патрубком б, сообщающим полость керноприемной тур- бы 2 с атмосферой, а наружная труба 1 - датчиком 7 гидростатического давления, установленным на уровне сливного патрубка 6 керноприемной трубы 2.

Емкость 8 с исследуемым грунтом установлена под колонковым снарядом со стороны башмака и выполнена герметичной - она снабжена уплотнением 9 по наружному периметру трубы 1. Кроме того, она соединена с нагнетательной линией 10 с вентилем 11 и сообщена с датчиком 7 гидростатического давления.

Колонковый снаряд в верхней части связан с силоизмерителем, выполненным в виде двух гидравлических динамометров основного 12 и дополнительного 13 и датчиков 14-16 давления. Гидравлические динамометры 12 и 13 установлены последовательно вдоль оси колонкового снаряда, при этом корпус 17 дополнительного динамометра 13 и плунжер 18 основного динамометра 12 соединены соответственно с наружной 1 и керноприемной 2 трубами, а корпус 19 нижнего динамометра 12 и плунжер 20 дополнительного динамометра 13 - с промежуточной трубой 3. Полости 21 и 22 гидравлических динамометров 12 и 13 заполнены жидкостью и сообщены с датчиками 14 и 15 давления.

Стенд снабжен устройством компенсации гидростатического давления, установленным внутри дополнительного гидравлического динамометра и содержащим ступенчатый плунжер 23, установленный в полости 22 дополнительного динамометра 13 и поршень 24, связанный со ступенчатым плунжером 23 с помощью штока 25. Причем площадь кольцевой поверхности ступенчатого плунжера 23 со стороны штока 25 (площадь поперечного сечения верхней ступени плунжера 23 минус площадь поперечного сечения штока 25) выпол0 нена равной площади ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 дополнительного гидравлического динамометра 13, а площадь поршня 24 - равной площади кольцевой поверхности колонкового снаря5 да между наружной 1 и керноприемной 2 трубами (в поперечном сечении) с учетом толщины стенок этих труб. Кроме того, над поршнем 24 выполнена надпоршневая камера 26, сообщающаяся посредством гиб0 кого шланга 27 с емкостью 8, а над ступенчатым плунжером 23 - штоковая полость 28, заполненная жидкостью и соединенная с датчиков 16 давления.

Для задавливания колонкового снаряда

5 в грунт применен гидравлический привод, включающий насосную станцию 29 и гидроцилиндр 30. Надпоршневая полость 31 гидроцилиндра 30 сообщена с датчиком 32 давления. Для регистрации и записи пока0 заний датчиков давления использована установка 33.

Исследования сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника производят следующим образом.

5 Собранный колонковый снаряд с сило- измерителем опускают через отверстие уплотнения 9 в емкость 8 с исследуемым гнутом и, не доходя до уровня грунта башмаком 4 колонкового снаряда, открывают

0 вентиль 11 нагнетательной линии 10. Жидкость из нагнетательной линии 10 начинает поступать в емкость 8 и поднимается по керноприемной трубе 2 до уровня сливного патрубка 6.

5 Далее колонковый снаряд опускают до уровня грунта в емкости 8, включают насосную станцию 29 гидравлического привода и гидроцилиндром 30 через корпус 17 дополнительного динамометра 13 производят

0 вдавливание колонкового снаряда в грунт. При этом усилие задавливания на башмак 4 колонкового снаряда передается через жидкость, заполняющую полость 22 гидравлического динамометра 13, плунжер 20,

5 корпус 19 гидравлического динамометра 12 и промежуточную трубу 3, а усилие задавливания на керноприемную трубу 2 - через жидкость, заполняющую полости 22 и 21 гидравлических динамометров 12 и 13 и плунжеры 20 и 18.

Одновременно вентилем 11 нагнетательной линии 10 проводят регулировку необходимого давления жидкости внутри емкости 8, моделирующего гидростатическое давление. За счет разности между гид- ростатическим давлением и давлением жидкости над пробой в колонке керна и в окружающем забой массиве грунта возникает фильтрационный поток жидкости, оказывающий фильтрационное давление на скелет грунта. Поступающая в полость кер- ноприемной трубы 2 жидкость отводится через сливной патрубок 6. Разность между гидростатическим давлением и давлением над пробой регистрируется датчиком 7 дав- ления.

По мере внедрения колонкового снаряда в грунт возникает и нарастает сила сопротивления грунтового массива. Пропорционально этому сопротивлению нарастает давление жидкости в подпоршне- вой полости 31 гидроцилиндра 30, которое регистрируется датчиком 32 давления и записывается установкой 33. Записанное значение давления определяет полное сопротивление N внедрению пробоотборника в условиях исследований на предлагаемом стенде.

Сила FK трения колонки пробы о кер- ноприемную трубу 2 при превышении вели- чины, определяемой весом керноприемной трубы 2 со сливным патрубком б и плунжером 18 гидравлического динамометра 12, однозначно соответствует давлению жидкости в полости 21 гидравлического динамо- метра 12, которое регистрируется датчиком 14 давления.

Лобовое сопротивление пробоотборнику (сопротивление по режущим кромкам башмака 4) в условиях исследований на предлагаемом стенде обусловлен сопротивлением грунтового массива на деформацию Рл и усилием G, возникающим в результате гидростатического давления жидкости в ем- кости 8 на колонковый снаряд по площади кольцевого пространства между наружной 1 и керноприемной 2 трубами. В реальных условиях работы на море составляющая лобового сопротивления, обусловленная гид- ростатическим давлением на колонковый снаряд, отсутствует. Поэтому при исследованиях сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника усилие от гидростатического давления G жидкости на ко- лонковый снаряд должно быть исключено (компенсировано), а лобовым сопротивлением пробоотборнику должно считаться только сопротивление грунтового массива на деформацию Рл под башмаком 4 колонкового снаряда, которое определяется на предлагаемом стенде следующим образом.

Давление жидкости в полости 22 гидравлического динамометра обусловлено суммой силы FK трения колонки пробы о керноприемную трубу 2, лобового сопротивления грунтового массива на деформацию Рл, гидростатического давления G жидкости на колонковый снаряд жидкости в надпорш- невой камере 26 на поршень 24..Поскольку площадь поршня 24 выполнена равной площади кольцевого зазора колонкового снаряда между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и в надпоршневую камеру 26 по шлангу 27 подведена жидкость из емкости 8, находящаяся под гидростатическим давлением, то усилие гидростатического давления G на колонковый снаряд и сила, возникающая на поршне 24, одинаковы, но противоположны по направлению. При этом потери давления жидкости в надпорш- невой камере 26 ввиду высоты колонкового снаряда, рассчитываемой от башмака 4 до поршня 24, пренебрегаются или учитываются в процесе проведения исследований как постоянная величина.

Давление жидкости в штоковой полости 28 и полости 22 дополнительного динамометра 13 при отсутствии давления жидкости в надпоршневой камере 26 на поршень 24 были бы одинаковы ввиду одинаковых площадей ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 динамометра 13 и со стороны штоковой полости 28. Однако имеющееся на поршне 24 усилие, обусловленное давлением жидкости в нздпоршневой камере 26, передается через шток 25 на ступенчатый плунжер 23 и снижает давление жидкости в штоковой полости 28 на величину, соответствующую силе гидростатического давления на колонковый снаряд.

Таким образом, давление жидкости в штоковой полости 28, соответствующее некоторому усилию Т, определяется только суммой силы FK трения колонки пробы о керноприемную трубу 2 и лобового сопротивления грунтового массива на деформацию Рл. А поскольку значение силы Рк трения известно по показателям датчика 14 давления, а значение силы Т - датчика 16 давления, то лобовое сопротивление грунтового массива на деформацию Рл определяется следующим образом: Рл Т - Рк.

Сопротивление Рн грунтового массива по поверхности наружной трубы определяется следующим образом.

Регистрируемое датчиком 32 полное сопротивление N внедрению пробоотборника в условиях проведения исследований на

предлагаемом стенде включает, кроме сопротивления непосредственно грунтового массива, еще и сопротивление G, обусловленное гидростатическим давлением жидкости на колонковый снаряд. Т.е,

N T+FH + G, откуда

FH N-(T + G).

Сумма Т + G представляет собой не что иное, как среднее арифметическое значение сил, соответствующих показаниям датчиков 15 и 16 давления. Действительно, если давление жидкости в штоковой полости 28 соответствует силе Т, то давление в полости 22 гидравлического динамометра 13 соответствует усилию Т + 2G. Тогда среднее арифметическое

T+(T2+26)T+G

Таким образом, в процессе задавлива- ния колонкового снаряда в грунт по показаниям датчиков 14-16 и 32 давления можно определить сопротивление грунтового мае- сива внедрению пробоотборника по его ло- бозой и боковым (наружной и внутренней) поверхностям и, как следствие, полное сопротивление непосредственно грунтового массива внедрению пробоотборника.

В процессе исследований благодаря размеа ению наружной 1 и керноприемной 2 труб относительно башмака 4 с зазорами исключается возможность перераспределения нагрузок в элементах колонкового снаряда в результате упругой деформации промежуточной трубы 3. Установка в зазорах резиновых колец 5 предотвращает по- падение жидкости и грунта в кольцевой зазор между наружной 1 и керноприемной 2 трубами.

Применение предлагаемого стенда для исследования сопротивления грунтового массива внедрению пробоотборника позволяет изучить закономерности влияния различных геолого-технических факторов пробоотбора(тип грунтов, глубина пробоот- бора, диаметр бурения, перепад между гидростатическим давлением и давлением жидкости над пробой) на сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника в целом и по элементам колонкового снаряда: сопротивление грунтового массива по наружной поверхности, лобовое сопротивление и силу трения колонки керна.

Выяснение указанных закономерностей позволяет упростить проектирование приаода для морских пробоотборников и разработать технологию пробоотбора донных отложений с использованием обратной

промывки. Проектирование привода для морских пробоотборников осуществляется при известных значениях сопротивления грунтового массива. А оптимизация технологии пробоотбора донных отложений производится путем регулирования управляемых геолого-технических факторов пробоотбора, при которых обеспечивается минимальное сопротивление грунтового

0 массива при требуемом качестве опробования.

По сравнению с известными исследование предлагаемого стенда повышает его технологические возможности, так как он

5 позволяет производить измерения по лобовой и боковым поверхностям пробоотборника одновременно в условиях обратной промывки в скважине.

Формула изобретения

0 Стенд для исследования напряженного состояния керна несвязных грунтов, содержащий керноприемную трубу со сливным патрубком, наружную трубу с датчиком давления, установленным на уровне сливного

5 патрубка, промежуточный элемент, установленный между керноприемной и наружной трубами, башмак с установленными на нем наружной и керноприемной трубами и жестко закрепленным промежуточным эле0 ментом, герметичную емкость с патрубком для подачи жидкости под давлением, установленную со стороны башмака, си- лоизмеритель, выполненный в виде гидравлического динамометра с датчиков

5 давления и соединенный с керноприемной трубой промежуточным элементом, и гидравлический привод перемещения наружной и керноприемной труб, датчик давления на наружной трубе сообщен с герметичной

0 емкостью, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в ус5 ловиях обратной промывки, он снабжен дополнительным гидравлическим динамометром с узлом компенсации гидростатического давления и датчиками давления, соединенным с основным гидравлическим

0 динамометром и наружной трубой, причем узел компенсации гидростатического давления установлен внутри дополнительного гидравлического динамометра и выполнен в виде ступенчатого плунжера, установленно5 го в полости дополнительного гидравлического динамометра, поршня и штока, соединяющего его со ступенчатым плунжером, надпоршневой камеры, сообщенной с герметичной емкостью, штоковой полости, выполненной над ступенчатым плунжером и

сообщенной с датчиком давления, кер-хности ступенчатого плунжера со стороны

неприемная и наружная трубы установленыштоковой полости равна его площади со

на башмаке с зазором, площадь поршня уз-стороны полости дополнительного гидравла компенсации равна площади кольцевойлического динамометра, сообщенной с датповерхности между наружной и кернопри-5 чиком давления и с основным

емной трубами, а площадь кольцевой повер-гидравлическим динамометром.

Изобретение относится к гидромеханике и предназначено для исследования процессов, происходящих в грунтовом массиве. Цель изобретения - повышение достоверности исследования за счет измерения сил сопротивления грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям в условиях обратной промывки. Дополнительный гидравлический динамометр 13с узлом компенсации гидростатиче- ского давления и с датчиками 14-16 51 давления соединен с основным гидравлическим динамометром 12 и наружной трубой 1. Узел компенсации гидростатического давления установлен внутри динамометра 13. Последний выполнен в виде ступенчатого плунжера 18, установленного в полости динамометра 13, поршня 24, штока 25, соединяющего его со ступенчатым плунжером 18, и надпоршневой камеры, сообщенной с датчиком давления. Стенд имеет кернопри- емную 2 и наружную 1 трубы, установленные на башмаке 4 с зазором. В процессе задавливания колонкового снаряда в грунт по показаниям датчиков 14-16 определяют сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхностям. Благодаря размещению, труб 1 и 2 на башмаке исключается возможность перераспределения нагрузок в элементах колонкового снаряда из-за колонкового снаряда и упругой деформации промежуточной трубы 3. 1 ил. СП с о Ьь о GJ О 00