Двойной колонковый снаряд Советский патент 1991 года по МПК E21B25/00 E21B21/00 

Изобретение относится к технике бурения скважин колонковым способом и может быть использовано при бурении с обратной призабойной циркуляцией промывочной жидкости.

Цель изобретения - повышение качества опробывания слабых несвязных легкоразмываемых грунтов.

На чертеже показан двойной колонковый снаряд, разрез.

Двойной колонковый снаряд содержит наружную 1 и установленную в ней с возможностью осевого перемещения подпружиненную керноприемную 2 трубы, связанные между собой подшипниковым узлом 3 подвески и патрубком 4 с осевым 5 и радиальными 6 отверстиями, сообщающими нагнетательную линию 7 с межтрубным пространством 8. Керноприемная труба 2 подпружинена пружиной 9 сжатия относительно наружной трубы 1 в направлении к забою Осевое отверстие 5 патрубка 4 сообщено с соплом 10 эжекторього насо- са 11, гидравлический канал 12 обратного потока из керноприемной трубы 2 с камерой 13 смещения, межтрубное пространство 14 с диффузором 15, а кольцевой дросселирующий клапан I6 охватывает патрубок 4 и установлен с возможностью перекрытия его радиальных отверстий 6 при верхнем положении керноприемной трубы 2.

Кольцевой дросселирующий клапан 16, охватывающий патрубок 4, об-- разует с ним подвижную уплотнитель- ную посадку. Керноприемная труба 2 оснащена башмаками 17, а наружная

5

5

„ ,

5

труба - коронкой 18. Кроме того, отверстия 5 патрубка 4 выполнены-так, что гидравлические сопротивления перетеканию через них жидкости обеспечивают расход через сопло 10 эжекторного насоса 11, достаточный для эжек- ции жидкости из полости керноприемной трубы 2, вытесняемой в процессе бурения поступающим керном.

Двойной колонковый снаряд работает следующим образом.

В исходном положении керноприем- ная труба 2 под действием пружины 9 находится в крайнем нижнем положении. При этом нагнетательная линия 7 сообщена радиальными отверстиями 6 с межтрубным пространством 14. В процессе вращательного бурения снарядом Керноприемная труба 2 благодаря подшипниковому узлу 3 подвески не вращается, i

При бурении в слабых легкоразмываемых, например илистых, грунтах, где силы трения колонки пробы о поверхность керноприемной трубы 2 и сопротивления по лобовой поверхности башмака 17 незначительны, Керноприемная труба 2 под действием пружины 9 продолжает оставаться в крайнем нижнем положении. В этом положении основная часть потока жидкости из нагнетательной линии 7 поступает через отверстия 6 патрубка 4 в межтрубное пространство 14 для гидроразмыва грунта на забое скважины, а другая часть попадает через сопло 10 эжекторного насоса 1 1 в диффузор 15, вызывая эжекцию жидкости из полости керноприемной

трубы 2 в камеру 10 смещения через гидравлический канал 12 обратного потока из керноприемной трубы 2, которая вытесняется колонкой пробы, поступающей в процессе бурения Р полость керноприемной трубы 2, т.е. в лом случае обратная промывкл в скважине отсутствует, что предохраняет керн слабых грунтов от размыва. В то же время в керновом магерпале отсутствуют проявления свайного эффекта, так как силы трения керна о трубу 2 незначительны.

По мере наполнения полости керноприемной трубы 2 пробои, а также при смене грунтов на более тяжелые нарастают силы трения кернл о поверхность керноприемной трубы 2 и сопротивления грунта по лобовой поверхности башмака 17, которые, преодолевая жесткость пружины 9, поднимают керно- приемную трубу 2 относительно наружной трубы 1 вверх. Это приводит к частичному перекрытию отверстий 6 патрубка 4 кольцевым дросселирующим клапаном 16 и, следовательно, к увеличению гидравлических сопротивлении течению жидкости нч нагнетательной линии 7 в межтрубное пространство 14 через отверстия 6 патрубка 4. В результате увеличивается расход жидкости через сопло 10 эжекторного насоса II и, как следствие, возрастает расход эжектируемой жидкости из- полости керноприемной трубы 2 сверх расхода жидкости, выдавливаемой поступающим в полость керноприемной трубы 2 керном.

Давление жидкости в полости керноприемной трубы 2 падает, а в колонке пробы под действием возникшего перепада давления жидкости между окружающим массивом грунта и над пробой возникает восходящий фильтрационный поток, который, фильтруясь между минеральными зернами грунта, оказывает на них фильтрационное давление, частично или полностью нейтрализуя их вес. Поскольку величина силы трения керна несвязных и рыхлых грунтов о трубу пропорционально зависит от, веса грунта, слагающего керн, то наличие восходящего фильтрационного потока в колонке пробы снижает величину его напряженно-сжатого состояния и, следовательно, величину силы трения.

При этом результирующая удельная сила f как сумма удельного веса грун16471 19

та с учето н мттпвания водой УГ и Фильтрационного давления потока жидкости в единице объема грунта Ј„ X1 .1,

где уо - удельный вес фильтрующийся жидкости; f - градиент напора фильтрационного потока, направленного против действия силы тяжести, определится выражением

V

f jvo - f;-i )

Таким образом, удельная сила f и, следовательно, сила трения керна о

, трубу могут изменяться в широких пределах вплоть до нуля в зависимости от напряженности фильтрационного потока, определяемого градиентом напора I. В то же время подъем керноприемной

0 трубы 2 вверх относительно наружной трубы 1 приводит к более интенсивному гидроразмыву грунта по лобовой поверхности башмака 17, снижая сопротивление грунта проникновению.

5 Если напряженности фильтрационного потока в колонке пробы и гидроразмыва грунта по лобовой поверхности башмака 17 недостаточно для преодоления сил трения керна о трубу 2 и со

0

противления грунта по лобовой поверх0

ности башмака 17, то керноприемная труба 2 с башмаком 17 перемещается еще выше, в большей степени прикрывая посредством кольцевого дросселирующего клапана 16 отверстия 6 патруб5 ка 4. При этом возрастает интенсивность гидроразмыва грунта по лобовой поверхности башмака 17 и увеличивается мощность восходящего фильтрационного потока в колонке керна, что приводит к снижению сопротивления грунтового массива внедрению в нее керноприемной трубы 2. При этом снижение напряженного состояния кернового материала позволяет исключить нарушения пробы проявлениями свайного эффекта.

Если силы трения керна о трубу 2 и сопротивления грунта по лобовой

Q поверхности башмака 17 становятся меньше усилия сжатой пружины 9, то керноприемная труба 2 с башмаком 17 смещается вниз, дросселирующий клапан 16 в большей степени приоткрывает отверстия 5 патрубка 4 и мощность восходящего фильтрационного потока в колонке керна падает. Этим исключается размыв керна, нарушения его структуры, а также возникновение ре5

16

жима гидротранспортирования пробы чрезмерно мощным фильтрационным потоком жидкости.

В процессе автоматического регу- лирования интенсивности обратной промывки в скважине оптимизируется напряженное состояние кернового материала путем стабилизации его величины жесткостью пружины 9. Однако пружина 9 воспринимает не только силу трения керна о керноприемную трубу 2, но и лобовое сопротивление грунта внедрению башмака 17, т.е. практически стабилизируется величина полного сопротивления грунтового массива внедрению керноприемной трубы 2, но которая соответствует оптимальному значению напряженного состояния керна. Это объясняется тем, что характер изменения лобового сопротивления грунта в предлагаемом снаряде вполне однозначен от значения силы трения колонки пробы о трубу 2. Обуславливается это следующим. К примеру, увеличива- ется мощность восходядего фильтрационного потоке в керне и силы трения колонки пробы о трубу 2 снижаются, значит, снижается и лобовое сопротивление внедрению башмака 17 из-за увели- чивающейся интенсивности гидроразмыва грунта по лобовой поверхности башмака 17, снижения количества выдавливаемого кернового материала за торец башмака 17 благодаря увеличению выхода керна при использовании обратной

19

8

промывки (т.е. снижается уплотнение грунта по лобовой поверхности башмака 17) и снижения реакции грунтового массива под башмаком 17 из-за общего снижения напряженного состояния грунтового массива, вызванного уменьшением величины напряжений в керне. Формула изобретения

Двойной колонковый снаряд, содержащий наружную и установленную в ней с возможностью осевого перемещения подпружиненную керноприемную трубу, связанные между собой подшипниковым узлом подвески и патрубком с осевым и радиальными отверстиями, сообщающими нагнетательную линию с межтрубным пространством, гидравлический канал обратного потока из керноприемной трубы и кольцевой дросселирующий клапан, отличающийся тем, что, с целью повышения качества опробывания слабых несвязных легкоразмываемых грунтов, он снабжен эжек- торным насосом, при этом осевое отверстие патрубка сообщено с соплом эжек- торного насоса, гидравлический канал обратного потока из керноприемной трубы - с камерой смешения, межтрубное пространство - с диффузором, а кольцевой дросселирующий клапан охватывает патрубок и установлен с возможностью перекрытия его радиальных отверстий при верхнем положении керноприемной трубы.

Изобретение относится к технике бурения скважин и может быть использовано при бурении с обратной приза- войной циркуляцией промывочной жидкости. Цель изобретения - повышение качества опробования слабых несвязных легкоразмываемых грунтов. Снаряд содержит наружную 1 и установленную в ней с -возможностью осевого перемещения подпружиненную керноприем- ную 2 трубы. Они связаны между собой