Вакуумно-гидростатический пробоотборник Советский патент 1991 года по МПК G01N1/02 E21B25/18 

Изобретение относится к техническим средствам пробоотбора и бурения мелких подводных скважин с целью геологических и инжеТнерно-геологи- ческих инженерно-геологических исследований.

Известен вакуумно-гидростатичес- кий пробоотборник ВГП-6, включающий колонковую трубу, закрытую сверху крышкой. Нижний конец трубы снабжен башмаком, отверстие которого перекрыто составным поршнем. Последний удерживается стопорами, связанными со штоком, выступающим ниже лезвия башмака. Перед спуском пробоотборника из полости колонковой трубы откачивают воздух. В момент удара мтока

0дно стопоры освобождаются и пор- шень за счет действий усилия, обусловленного разницей гидростатического давления окружающей среды и низкого давления в полости колонковой трубы, перемещается вверх, создавая

разрежение над керном. Пробоотборник

1- - внедряется в дно под действием кинетической энергии, накопленной во время спуска, и в результате усилия, созданного разницей гидростатическог давления и низкого давления внутри колонковой трубы.

Недостатком данного пробоотборника является низкое качество опробования. Разрежение над керном создает ся в первые же моменты процесса пробоотбора, когда внедрение колонково трубы в донные осадки -составляет

5

0 5

0 5

5

0

всего несколько сантиметров. Под действием возникшего перепада между гидростатическим давлением и давлением в полости колонковой трубы в грунтовом водонасыщенном массиве возникает Фильтрационный поток жидкости, направленный от свободной поверхности морского дна в полость колонковой трубы. Фильтрационный поток жидкости, фильтруясь между минеральными зернами грунта, оказывает на них фильтрационное давление Ф, которое определяется следующим образом

..,. -АН.

где jft) - удельный вес воды;

ЙН - перепад между гидростатическим давлением и давлением в полости колонковой трубы;

U1 - длина пути фильтрации, При малой длине пути фильтрации . &L, что характерно для начального момента внедрения пробоотборника ВГП-6 в донные осадки, значение фильтрационного давления Ф получается чрезмерно большим. В результате скелет грунта под лезвием башмака пробоотборника разрывается Фильтрационным давлением потока жидкости и полость колонковой трубы за доли секунды оказывается заполненной водородной смесью, отобранной из самого верхнего слоя дна.

Известен вакуумно-гилростатичес- кий пробоотборник Петерсона-Кулленбе га, состоящий из камеры низкого давления 5, колонковой трубы, входное от- верстие которой перекрыто плавающим поршнем, удерживаемым Фиксаторами, связанными со спусковым штоком. В момент контакта спускового штока с дном Фиксаторы освобождают поршень, который под действием гидростатичес- -кого давления окружающей среды перемещается по колонковой трубе вверх, создавая разрежение над керном. Пробоотборник внедряется в грунт под действием энергии, накопленной им при .спуске, и разницы гидростатического давления и давления внутри трубы.

Недостатком пробоотборника является низкое качество опробования, обус- ловленное следующим фактором. Разрежение над керном создается в первые же моменты процесса пробоотбора, когда внедрение колонковой трубы в донные осадки составляет всего несколь- ко сантиметров. Под действием возникшего перепада между гидростатическим давлением и давлением в полости колонковой трубы в грунтовом водонасы- щенном массиве возникает фильтрацией- ный поток жидкости, направленный от свободной поверхности морского дна в полость колонковой трубы. Фильтрационный поток жидкости, Фильтруясь между минеральными зернами грунта, оказывает на них фильтрационное давление Ф которое определяется по указанной Формуле, При малой длине пути фильтрации t 1, что характерно для начального момента внедрения про- боотборника Петерсона-Кулленберга в донные осадки, значение фильтрационного давления Ф получается настолько большим, что скелет грунта под торцом колонковой трубы разрывается фильтрационным давлением потока жидкости. °Полость колонковой трубы за одни секунды оказывается заполненной водородной смесью, отобранной из самого верхнего слоя дна.

Целью изобретения является повышение качества опробования за счет увеличения длины пути фильтрации.

Вакуумно-гидростатический пробоотборник, содержащий колонковую трубу и камеру низкого давления, сообщающуюся каналом с полостью колонковой трубы, снабжен кольцевым экраном, установленным в нижней части

с ю 75

0 5 JQ ,. д

0

5

колонковой трубы, и клапаном, связанным с кольцевым экраном и перекры вающим канал камеры низкого давления, при этом кольцевой экран выполнен в виде контактной втулки, установленной с опережением колонковой трубы, спиц, шарнирно закрепленных по периметру контактной втулки и обтянутых водо- непроницаемым материалом, и тяг, шарнирно связанных с устройством фиксации кольцевого экрана относительно колонковой трубы, причем клапан камеры низкого давления связан с кольцевым экраном с возможностью открытия канала камеры низкого давления в рабочем положении кольцевого экрана, устройство фиксации кольцевого экрана, относительно колонковой трубы выполнено в виде втулки, с которой шарнирно связаны тяги кольцевого экрана, проточки, выполненной на колонковой трубе, и кулачков, размещенных в проточке колонковой трубы и жестко связанных с тягами кольцевого эк- рана, причем кулачки установлены с возможностью выхода из проточки колонковой трубы в рабочем положении кольцевого экрана.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый пробоотборник снабжен кольцевым экраном, установленным в нижней части колонковой трубы, и клапаном, связанным с кольцевым экраном и перекрывающим канал камеры низкого давления, ттри этом кольцевой экран выполнен в виде контактной втулки, установленной с опережением колонковой трубы, спиц, етарнир- но закрепленных по периметру контактной втулки и обтянутых водонепроницаемым материалом, и тяг, шарнирно связанных со спицами и устройством Фиксации кольцевого экрана относительно колонковой трубы, причем клапан камеры низкого давления связан с кольцевым экраном с возможностью открытия канала камеры низкого давления в рабочем положении кольцевого экрана. Устройство Фиксации кольцевого экрана относительно колонковой трубы выполнено в виде втулки, с которой шарнирно связаны тяги кольцевого экрана, проточки, выполненной на колонковой трубе, и кулачков, раэмещен- ных в проточке колонковой трубы и жестко связанных с .тягами кольцевого экрана, причем кулачки установлены с возможностью выхода из проточки ко7170

лонковой трубы в рабочем положении кольцевого экрана. Таким образом, повышается качество опробований за счет увеличения длины пути фильтрации,

. На фиг. изображен вакуумно-гидро- Статический пробоотборник в процес- cfe спуска на дно, на фиг«2 - то же, 4 процессе работы.

Вакуумно-гидростатический пробо-;

тборник содержит колонковую I, камеру 2 низкого давления, которая сообщена с полостью колонковой трубы каналом 3, и кольцевой экран, уста-,

озленный

:овой трубы

15нижней части колон- ч

1. Кольцевой экран Состоит из контактной втулки 4,ус- Тановленной с опережением колонковой Трубы 1, шарнирно присоединенных по периметру контактной втулки 4 спиц 5, 20 ЖИДК9СТИ направленный от свободной

При полном раскрытии спица 5 чере гибкую связь 15 открывает, сжимая пружину 16, плунжерный клапан 13, ко торый защелкивается за бурт 14 фик сатором 17. Камера 2 низкого давлени сообщается с полостью колонковой трубы 1, в которой резко понижается давление. Под действием возникшего перепада между давлением в полости колонковой трубы 1 и гидростатическим давлением окружающей среды з грунтовом водонасьпценном массиве возникает фильтрационный поток

поверхности морского дна в полость колонковой трубы в

Ьбтянутых водонепроницаемым материалом 6. Тяги 7 с кулачками 8 шар- нирно соединены одним кольцом со спицами 5, а другим - с втулкой 9, :з которой выполнена кольцевая проточка 10 На колонковой трубе 1 вы- |юлнена в нижней части проточка 11, в верхней части размещены защелки 2.

В канале 3 установлен плунжерный слапан 13 с буртом 14, соединенный (гибкой связью 15 со спицей 5 и поджатый пружиной 16, Плунжерный клапан 13 снабжен фиксатором 17. В верхней части вакуумно-гидростатический пробоотборник связан с грузовым тросом 8 (фиг„ 1) .

Вакуумно-гидростатический пробоотборник работает следующим образом,

Перед началом работы в камере 2 низкого давления создается разрежение. Пробоотборник опускают на дно на грузовом тросе 18. При этом канал 3 камеры 2 низкого давления перекрыт под действием пружины 16 плунжерным клапаном 13.. В процессе спуска пробоотборника на дно кольцевой экран испытывает лобовое сопротивление воды, однако выполнение контактной втулки 4 достаточно массивной позволяет избежать преждевременного раскрытия кольцевого экрана,

При постановке пробоотборника на дно контактная втулка 4 упирается в грунт и перемещается вверх. При этом спицы 5 и тяги 7 проворачиваются в ш-арнирах, кулачки 8 выходят из зацепления с проточкой И, а втулка 9 перемещается вниз, что ускоряет про8

50 ЖИДК9СТИ направленный от свободной

цесс раскрытия кольцевого экрана, В момент касания колонковой трубы 1 с дном кольцевой экран полностью раскрывается и водонепроницаемый материал 6 прилегает к поверхности дна.

При полном раскрытии спица 5 через гибкую связь 15 открывает, сжимая пружину 16, плунжерный клапан 13, который защелкивается за бурт 14 сатором 17. Камера 2 низкого давления сообщается с полостью колонковой трубы 1, в которой резко понижается давление. Под действием возникшего перепада между давлением в полости колонковой трубы 1 и гидростатическим давлением окружающей среды з грунтовом водонасьпценном массиве возникает фильтрационный поток

0 ЖИДК9СТИ направленный от свободной

5

0

5

поверхности морского дна в полость колонковой трубы в

Фильтрационный поток жидкости, Фильтруясь между минеральными зернами грунта, оказывает на них фильтрационное давление Ф, частично компенсируя вес грунта и снижая при этом силы трения керна о стенки колонковой трубы. При этом минимальная длина путем Фильтрации Ј 1 первые моменты внедрения пробоотборника в грунт определяется размерами кольцевого экрана и является конечной фиксированной величиной. Это исключает возникновение чрезмерно большого фильтрационного давления Ф и прорыв скелета грунта фильтрационным потоком, что повышает качество опробования. Соединение плунжерного клапана 13 гибкой связью 15 со спицей 5 обеспечивает сообщение камеры 2 низкого давления с полостью колонковой трубы 1 в момент полного раскрытия кольцевого экрана, а следовательно,, в момент касания колонковой трубы 1 дна, повышая надежность срабатывания устройства.

Вакуумно-гидростатический пробоотборник внедряется в грунт под действием кинетической энергии, накопленной им во время спуска, и за счет разности гидростатического давления окружающей среды и низкого давления в полости колонковой трубы 1 . По окончании защелки 12 входят в кольце- яую проточку 10 втулки 9о После этого пробоотборник извлекают из скважины совместно с кольцевым экраном, который под действием веса контактной

0

5

0

втулки 4 вновь приникает сложенное положение,Применение вакуумно-гидростати- ческого пробоотборника позволит повысить качество опробования за счет фиксации конечной длины пути фильтрации в начальные моменты внедрения пробоотборника, Формула и з обретения

1. Вакуумно-гидростатический пробоотборник, включающий колонковую трубу и камеру низкого давления, сообщающуюся каналом с полостью колонковой трубы, отличающийся тем, что, с целью повгашения качества опробования, пробоотборник снабжен кольцевым экраном, установленным в нижней части колонковой трубы, устройством Фиксации кольцевого экрана и клапаном, установленным в канале и связанным с кольцевым экраном, при

этом кольцевой экран выполнен в виде контактной втулки, установленной с опережением на колонковой трубе, снабжен спицами, шарнирно закрепленными по ее периметру и обтянутыми

водонепроницаемым материалом и тягами, шарнирно связанными со спицами и устройством фиксации.

2. Пробоотборник по п.1, о т л и- чающийся тем, что устройство

фиксации кольцевого экрана снабжено втулкой с кулачками, сопряженными с проточкой в колонковой трубе и связанными тягами с кольцевым экраном.

18

Изобретение относится к техническим средствам бурения мелких подводных скважин для геологических и инженерно-геологических исследований. Целью изобретения является повышение качества опробования за счет фиксации конечной длины пути фильтрации в начальный момент внедрения пробоотборника .Вакуумно-гидростаткческий пробоотборник включает колонковую трубу 1 и камеру 2 низкого давления, сооб