Колонковый набор Советский патент 1992 года по МПК E21B25/08 

Изобретение относится к буровой технике и касается средств для бурения скважин с отбором керна, а точнее к устройствам для ликвидации самозаклинивания керна при бурении снарядами со съемным керноприемником (ССК).

Известен колонковый снаряд со съемным гидроударником, включающий наружную колонковую трубу, буровую коронку, поршень-боек, взаимодействующий с клапаном и наковальней, и керноприемную трубу.

Недостатком этого снаряда является то, что при передаче ударных импульсов от поршня-бойка на наковальню и затем на керноприемную трубу

з.ряется значительная часть энергии гидроударника, В результате снижается эффективность его воздействия на кер- новую пробу.

Наиболее близким к предлагаемому является колонковый набор, содержащий наружную колонковую трубу с буровой коронкой и съемный керноприемник с головкой-фиксатором, кернопри- емной трубой и размещенным между ними вибратором в виде корпуса, подпружиненного штока с осевым и радиальным каналами, контактирующий сйо- ей наружной поверхностью в основной части с внутренней поверхностью уступа корпуса, и клапана, подпружиненного относительно последнего и

VI

сл

NJ О hO

сл

размещенного с возможностью взаимодействия с верхним торцом штока. Устройство решает проблему увеличения эффективности воздействия гидроудар- ной машины на керновую пробу за счет жесткого соединения керноприемной трубы с поршнем-бойком.

Недостатком устройства является TO, что при самозаклинивании керна гидроударная машина не функционирует так как нанесение ударных импульсов по керноприемной трубе возможна только при колебательных движениях последней. Кроме того, большая масса керноприемной трубы, выполняющей рол бойка в гидроударной машине, препятствует увеличению частоты ее колебаний, необходимому для существенного снижения вероятности самозаклинивания керна.

Цель изобретения - повышение эффективности, надежности и упрощение конструкции„

Указанная цель достигается тем, что в колонковом наборе, содержащем наружную колонковую трубу с буровой коронкой в нижней части и съемный керноприемник с головкой-фиксатором в верхней части, керноприемной трубой и размещенным между ними вибратором в виде корпуса, подпружиненного штока с осевым и радиальными каналами, контактирующего своей наружной поверхностью в основной части с внутренней поверхностью корпуса, и клапана, подпружиненного относительно последнего и размещенного с возможностью/взаимодействия с верхним торцом штока, корпус размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно головки-фиксатора, верхний торец штока выполнен с наружным диаметром d, меньшим его наружного диаметра в основной части, и определяемым соотношением

)

где D - наружный диаметр основной

части штока;

h - ход клапана со штоком; GUIT жесткость пружин клапана

и штока ,

, Рыт - усилие поджатия пружин клапана и штока,

КА

Кл

а сумма площадей осевого и радиального каналов определяется по формуле

5

0

5

S 0,25-0,75(D2 - d2). (2)

На чертеже изображен колонковый набор, общий вид .

Q Колонковый набор включает наружную колонковую трубу 1, буровую коронку 2 в нижней части и съемный керноприемник. Последний содержит кер- нопрйемную труву 3, головку-фиксатор k в верхней части и размещенный между ними вибратор, который включает корпус 5 с внутренним уступом 6, В корпусе 5 размещены шток 7, подпружиненный пружиной 8, с осевым 9 и радиальным 10 каналами, а также клапан 11, подпружиненный относительно уступа 6 пружиной 12 и взаимодействующий с верхним торцом штока 7 который своей основной частью 13 по наружной поверхности контактирует с внутренней поверхностью уступа 6. Верхний торец штока 7 выполнен с наружным диаметром d, меньшим наружного диаметра D основной части 13 0 Корпус 5 установлен с возможностью осевого возвратно -поступательного перемещения относительно головки-фиксатора А и соединен через под-, шипниковый узел 1А с керноприемной 5 трубой для передачи ей вибрационного усилия. Корпус 5 подпружинен относительно головки-фиксатора с помощью пружины 15.

Диаметр d верхнего торца штока 7 0 определяется по формуле (1), а сумма площадей осевого 9 и радиальных 10 каналов определена по формуле (2)„ Введениег указанных зависимостей (1) и (2) обосновано следующим обра- 5 зом.

Силы пружин 8 и 12 при максимальной деформации (в конце рабочего хода)/определяются известными выражениями :

max KA

hGKA+ F,

тахыт ыт+

КА

GUT

Максимальные силы давления на клаи пан- 11 и шток 7 можно найти из выра- жений:

moxKft

rnax

ч

nwx ытв max ( S(),

максимальное значение давления в магистрали в момент отрыва клапана} площадь верхнего торца штока 7 с диаметром d; площадь основной части 13 штока 7 с диаметром D. й работоспособности слемомент отрыва клапана 11

PiO в у.р д- ma)ts n(- Кл

t

тал

(S2 - S,) - ЬСШТ+ F

ЫГ

Из отношения последних выражений следует

После преобразований получаем

РКЛ

СКл)+ГЫТ+ГКЛ

Гидравлические сопротивления, возникающие в каналах 9 и 10 при прохождении в них промывочной жид- кости, должны обеспечивать запаздывание возвращения штока 7 по сравнению с клапаном 11 в исходное положение, другими словами работоспособность вибратора.

Экспериментальным путем в стендовых условиях определено, что вибратор стабильно работает, когда сумма площадей каналов 9 и 10 S меньше, чем разность площадей S иопре- делается из выражения

S k,(Se - S,),

где k - экспериментальный коэффициент, изменяющийся от 0,3 до 0,9.

После преобразований это выраже- Iние принимает вид

У S - k(De- d),

где К 0,25-0,75.

Колонковый набор работает следующим образом.

$ процессе бурения керн, формируемый коронкой 2, поступает в кер- ноприемную трубу 3. При этом промывочная жидкость через отверстия в головке-фиксаторе поступает в корч пус $ и (воздействут на клапан 11 и

0

5

0

5

0 5

О

шток 7 в результате чего они перемещаются вниз с постепенным повышением давления в магистрали. Причем за счет выполнения основных элементов вибратора в соответстёии с формулой (1) сила давления жидкости на клапан 11 превышает усилие пружины 12, а сила давления жидкости на кольцевую площадь штока 7 (разница площадей основной части 13 штока 7 и его верхнего торца) меньше усилия пружины 8, что обеспечивает герметичное уплотнение штока 7 и клапана 11. Рабочий ход штока 7 и клапана 11 заканчивается при уравновешивании сил максимального значения (расчетного) давления жидкости и усилий пружин 8 и 12 на них. В этот момент клапан 11 отрывается от штока 7 под действием пружины 12 и резко перемещается в исходное положение, После отрыва клапана 11 от штока 7 промывочная жидкость под действием возросшего давления устремляется в центральный 9 и радиальные 10 каналы штока 7, вызывая противодействие пружине 8 при движении его вверх за счет гидравлических сопротивлений в указанных каналах при соблюдении условия формулы (2),

В результате, двигаясь вверх, шток 7 отстает от клапана 11, а дас- ление жидкости падает до первоначальной величины. После соприкосновения торца штока 7 с клапаном 11, имеющим небольшую массу, описываемый процесс повторяется с большей частотой.

Таким образом, при работе вибратора в магистрали возникают гидравлические удары, которые воздействуют на всю площадь полости корпуса 5, максимально используя энергию лромывоч- ной жидкости. Одновременно при возрастании давления корпус 5, сжимая , пружину 15, перемещается вниз, а при сбрасывании давления под ее воздействием возвращается в исходное положение. Вибрация с корпуса 5 через подшипниковый узел И передается керноприемную трубу 3. При вибрации последней силы трения при перемещении в ней керна резко снижаются, что уменьшает вероятность самозаклинивания, а так как вибратор работает непрерывно, то самозаклинивание керна в большинстве случае предотвращается.

При осевом зазоре между нижним торцом керноприемной трубы 3 и буровой коронкой 2, меньшем амплитуды колебаний трубы 3, возможна передача высокочастотных ударных импульсов буровой коронке 2 для повышения механической скорости бурения.

Формула изобретения

Колонковый набор, содержащий наружную колонковую трубу с буровой коронкой в нижней части и съемный керноприемник с головкой-фиксатором в верхней масти, керноприемной трубой и размещенным между ними вибратором в виде корпуса, подпружиненного штока с осевым и радиальным каналами, контактирующего своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, и клапана, подпружиненного относительно последнего и размещенного с возможностью взаимодействия с верхним торцом штока, отличающийся тем, мто, с целью повышения эффективности, надежности и упрощения конструкции, корпус размещен с. возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно головки-фиксатора, верхний торец штока выполнен с наружным диаметром меньшим его наружного диаметра в основной части, и определяется соотношением

i

D

+ F к л

h((V + G

+

где D

- наружный диаметр основной

части штока, м,

h - ход клапана со штоком, м; кл G ит жесткости пружин клапана и штока, Н/м}

- усилие поджатия пружин клапана и штока, м, а сумма площадей осевого и радиального каналов определяется по форму g с - Л (- j2i

FM FUT

S -.0,25-0,75().

Использование: устройства для ликвидации самозаклинивания керна при бурении снарядами со съемными керноприемниками„ Сущность изобретения: 2 устройство содержит наружную колонковую трубу с буровой коронкой в нижней части. Съемный керноприемник имеет головку-фиксатор в верхней части, керноприемную.трубу и размещенный между ними вибратор. Вибратор выполнен в виде корпуса, подпружиненного штока с осевым и радиальными каналами и клапана. Шток контактирует своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса. Верхний торец штока выполнен с наружным диаметром, меньшим его наружного диаметра в основной части. Клапан подпружинен относительно корпуса. Корпус размещен с возможностью воз- вратно-поступательного перемещения с относительно головки-фиксатора, 1 ил. Ј Ј

ЬИх/