Буровой снаряд и ловитель для извлекаемого пробоприемника бурового снаряда и способ применения ловителя Советский патент 1992 года по МПК E21B25/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым снарядам, предназначенным для отбора породы одновременно с углублением и креплением скважины обсадными трубами, преимущественно ударным, вибрационным и вибро- рращательным способами.

Известен буровой снаряд, содержащий породоприемный стакан с башмаком, механизм закрепления стакана в кольцевой стопорной проточке обсадных труб, подвижный груз-ударник и тяговый канат (1), Изое- стен также буровой снаряд, содержащий колонну труб с внутренней кольцевой стопорной проточкой и размещенный D колонне съемный керноприемник, имеющий фиксатор в виде корпуса с выдвижными стопорными пластинами, кинематически связанными с захватной головкой клиновидными толкателями (2),

Общим недостатком известных снаря- дов яштяе тся то, что при наличии в колонне столбика керна (породы) в процесс доставки керноприемника к месту фиксации входит дополнительная операция по его добиванию ударами. Эта операция осуществляется С использованием специального устройства, включающего накооальню и спускаемые на канате груз и ударник, что ведет к усложнению конструкции снаряда, снижению надежности его работы и дополнительным затратам времени на вспомогательные операции.

Из известных снарядов наиболее.близ- ким по числу.сходных признаков является буровой снаряд, содержащий породопри- емный стакан, тяговой канат и механизм закрепления стакана в колонне обсадных труб, включающий цилиндрический корпус с подпружиненным штоком-поршнем и связанные с фрикционным покрытием (3). Принцип действия снаряда основан на йоз- можности закрепления его в любом заданном месте обсадной колонны, определяемом высотой оставшегося от предыдущего рейса столбика кериа. Однако это устройство не всегда обеспечивает совместное погружение снаряда и обсадных труб в породу. При заполнении породопри- емника стакана керном возникают силы сопротивления этому, иногда значительно превосходящие массу бурового снаряда, а следовательно, и силу пружины, давящую на рычаги закрепления. В этом случае возможно проскальзывание снаряда относительно обсадных труб, так как силы сопротивления движению керна в стакане больше массы снаряда и раскрепление снаряда влюбом месте ненадежно. Кроме того, в процессе бурения иногда породоприем- ный стакан прихватывается породой и заклинивается в трубах. В этом случае извлечь его не удается или обрывается тяговый канат и приходится поднимать из скважины всю обсадную колонну вместе с буровым снарядом. Кроме того, ненадежность закрепления стакана и постоянное присутст-1 вне в колонне тягового канат а 71ел ает невозможным применение снаряда в вибровращательном режиме бурения.

Известны также ловители для съемного

керноприемника и способы их применения.

Ловитель (2) содержит спускаемый на

канате груз, узел захвата, связанный с грузом разьемным соединением, и кольцевой ударник, закрепленный на нижнем конце груза. Недостатками этого ловителя является сложность конструкции и то, что он не обеспечивает надежной работы в целом все0 го бурового снаряда. Так,при наличии в колонне труб столбика керна приходится проводить дополнительные операции по добиванию снаряда ударником до места фиксации, а сам снаряд перед этим сбрасывать

5 внутрь незаполненной сухой колонны, что может привести к его заклиниванию и поломке при добивании.

Другой известный ловитель (1) содержит направляющий цилиндр с наковальней

0 и спускаемый на канате груз-ударник, жестко связанный с механизмом закрепления стакана бурового снаряда в обсадных трубах При добивании этим ловителем снаряда к месту его фиксации ненужно проводить

5 дополнительных спускоподъемных операций, Однако постоянное присутствие в колонне тягового каната исключает применение снаряда во вращательном режиме бурения.

0 Наиболее близким из известных ловителей к заявляемому объекту является ловитель, включающий канатный замок, утяжелитель, корпус, установленные в его пазу на оси подпружиненные захватные ла5 пы, ограничитель разведения лап, выполненный в виде штифта, и освобождающую трубу, Способ применения этого ловителя является к тому же техническим решением, наиболее близким к способу применения

0 заявляемого ловителя. Конструкция ловителя позволяет производить как извлечение керноприемника, так и его плавную доставку на тяговом канате внутрь колонны в сухих скважинах и о скважинах с пониженным

5 уровнем промывочной жидкости. Наличие освобождающей трубы позволяет отсоединить керноприемник после его доставки от ловителя с канатом и использовать буровой снаряд во вращательном режиме бурения.

0 Принцип отсоединения ловителя от керноприемника основан на сжатии верхних подпружиненных концов лап ловителя при надвигании их нижних концов под действием веса ловителя на конусную захватную

5 головку керноприемника. Освобождающая труба при этом опускается, обхватывает лапы и оставляет их нижние концы в разведенном состоянии. Силы сцепления лап, а следовательно, и удерживающие способности ловителя напрямую зависят от жесткости сжимающей лапы пружины, сила которой ограничена массой ловителя Однако зачастую, особенно при ударном и вибрационном бурении, бурении всухую, в ходе извлечения керноприемника из наружной колонны, возникают силы сопротивления этому, значительно превышающие массу ловителя, а следовательно, и силу пружины захватных лап. В этих случаях надежно захватить и извлечь керноприемник не удается и приходится поднимать из скважины всю колонну с керноприемником, что ведет к снижению производительности буровых работ и их удорожанию

Целью изобретения является повышение надежности в работе и расширение области применения бурового снаряда.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в увеличении времени чистого бурения, уменьшении затрат физического труда на спускоразъемные и вспомогательные операции, повышении достоверности геологической информации.

Для этого буровой снаряд, содержащий колонну труб с башмаком, пробоприемник, захватную головку и механизм закрепления пробоприемника в любом заданном месте колонны, включающий корпус, стопоры с фрикционным покрытием рабочей поверхности и подпружиненный шток, снабжен ниппелем с фрикционным покрытием и башмаком проболриемника с уплотнитель- ным кольцом из мягкого упругого материала. Захватная головка выполнена на верхнем конце штока, средняя часть которого утолщена и имеет форму усеченного конуса. Стопоры выполнены в виде подпружиненных конусных плашек с сегментной рабочей поверхностью, в теле которых на осях установлены подпружиненные эксцентрики, армированные износостойкими пластинами со скошенным торцом. Острый конец пластин направлен к устью скважины, а шток контактирует по конусной поверхности с возможностью осевого перемещения.

Предлагаемый снаряд отличается от прототипа наличием ниппеля с покрытием, башмака пробоприемника, уплотнительно- го кольца, армированных эксцентриков, выполнением стопоров, штока, захватной головки и связями между ними и остальными элементами снаряда.

Целью изобретения является также повышение надежности в работе ловителя для извлекаемого пробоприемника бурового снаряда.

Эта цель достигается за счет того, что предлагаемый объект в отличие от ловителя-прототипа, содержащего спускаемый на

канате корпус с фигурной полостью, установленные на нем подпружиненные захваты с ограничителем хода и освобождающий трубчатый элемент, введены новые сущест- венные признаки. Отличие состоит в том, что захваты имеют вид кулачков, элемент выполнен с захватной головкой и радиальными отверстиями В них установлены шаровые фиксаторы, обжатые по наружной

поверхности втулкой из упругого материала Ограничители выполнены в теле корпуса в виде уступов Кулачки установлены в корпусе с возможностью упора в ограничители в рабочем сведенном состоянии При этом

параметры упругости втулки задаются из расчета превышения вертикальной составляющей сил сцепления фиксаторов массы пустого пробоприемника.

Ловитель предлагаемого снаряда отличается от прототипа также способом применения обусловленным конструкцией своей и снаряда и включающим захват пробоприемника ловителем, спуск его до забоя внутри колонны, извлечение пробоприемника

на поверхность и освобождение его от захвата Отличие состоит в том, что головку пробоприемника захватывают фиксаторами освобождающего элемента, а головку элемента - кулачками корпуса, затем пробоотборник опускают до касания его башмаком башмака колонны или столбика породы, замечают по канату глубину погружения пробоприемника, приподнимают его на высоту h и резким рывком каната с силой, превышающей силу сцепления фиксаторов элемента, освобождают от захвата головку пробоприемника После этого извлекают на поверхность ловитель, освобождают от кулачков головку элемента и выводят его из состава

ловителя Затем по завершении отбурки внутрь колонны опускают корпус ловителя до захвата его кулачками головки пробоприемника, извлекают пробоприемник на поверхность и освобождают от кулачков его

головку

На фиг.1 изображен буровой снаряд в рабочем положении с пробоприемником, установленным на оставшийся столбик породы; на фиг.2 - снаряд с ловителем при

извлечении пробоприемника; на фиг.З - то же, при спуске пробоприемника; на фиг.4 - поперечный разрез А-А на фиг. 1, на фиг.5 - участок снаряда на фиг. 1 в месте контакта эксцентрика с ниппелем колонны.

Буровой снаряд содержит колонну 1 труб с башмаком 2, в которую включен ниппель 3 с внутренней поверхностью 4 с фрикционным покрытием, например, в виде треугольной насечки, пробоприемник 5 с

башмаком б и механизм закрепления пробоприемника 5 в колонне 1, состоящий из корпуса 7, конусных плашек 8 с эксцентриком 9 и штока 10. Шток 10 выполнен с захватной головкой 11 на верхнем конце и утолщенной средней частью 12 в виде усеченного конуса. Плашка 8 имеет ходовые пазы 13, сегментную рабочую поверхность 14 с фрикционным покрытием, например,в виде треугольной насечки и выемку 15, в которой на оси 16 установлен эксцентрик 9 с возвратной пружиной 17, армированный износостойкими пластинами 18 со скошенным торцом. Острый конец 19 пластин 18 направлен вверх к устью скважины. Корпус 7 выполнен с внутренней полостью и пазами и присоединен с пробоприемнику 5. Башмак 6 пробоприемника 5 снабжен уп- лотнительным кольцом 20 из мягкого упругого материала, например губчатой резины. Шток 10 установлен в полости корпуса 7, образует с ним через пружину 21 кинематическую связь и контактирует по конусной поверхности с возможностью осевого перемещения S с плашками 8, установленными в пазах корпуса 7 и закрепленными в нем при помощи штифтов 22, входящих в ходовые пазы 13 с возможностью радиального выдвижения. Между собой плашки 8 связаны возвратной пружиной 23. При этом длина ниппеля 3 и место его установки совпадают с участком закрепления пробоприемника в колонне 1, который задается в зависимости от длины пробоприемника 5 и геолого-технических условий бурения.

Ловитель для извлекаемого пробоприемника бурового снаряда содержит спускаемый на канате 24 корпус 25 с ограничительными уступами 26 и фигурной полостью 27, в которой на осях 28 установлены кулачки 29 с возвратной пружиной 30, и закрепленный в корпусе 25 освобождающий трубчатый элемент 31. Освобождающий элемент 31 выполнен с захватной головкой 32 и радиальными отверстиями 33, в которых установлены шаровые фиксаторы 34, обжатые по наружной поверхности элемента 3 втулкой 35 из упругого материала, например резины. Причем кулачки 29 установлены в корпусе 25 с возможностью упора в уступы 26 в рабочем сведенном состоянии, восприятия в этом положении направленной вниз осевой нагрузки и захвата головки 32 элемента 31 или головки 11 пробоприемника 5, а параметры упругости втулки 35 задаются из расчета превышения вертикальной составляющей сил сцепления фиксаторов 34 мдгсы пустого пробоприемника 5.

Буровой снопяд работает следующим образом.

Головку 11 пробоприемника 5 захватывают фиксаторами 34 элемента 31, а головку 32 элемента 31 - кулачками 29 корпуса 25 ловителя и подвешивают пробоприемник 5

на канате 24. При этом пружина 21 под весом пробоприемника 5 сжимается, шток 10 перемещается вверх, плашки 8 сдвигаются под действием пружины 23 внутрь корпуса 7. Затем пробоприемник 5 опускают в колонну 1 до касания его башмаком 6 башмака 2 колонны 1 или столбика 36 породы, оставшегося от предыдущего цикла углубки, замечают по канату глубину погружения пробоприемника 5, приподнимают его на

высоту h и резким рывком каната 24 с силой, превышающей силу сцепления фиксаторов 34, освобождают от захвата головку 11. После этого пробоприемник 5 падает вниз до упора в башмак 2 или столбик 36, пружина

21 разжимается, шток 10 перемещается вниз, плашки 8 выдвигаются и вступают в контакт с поверхностью 4 ниппеля 3, а ловитель на канате 24 извлекают на поверхность, освобождают от кулачков 29 головку

32 элемента 31 и выводят его из состава ловителя.

При этом высота h приподнятия пробсп- риемника 5 определяется из выражения

h -Цг м W

где S - возможное осевое перемещение штока 10, м;

q - ускорение свободного падения, м/с2;

G - скорость перемещения подвижного конца пружины 21 штока 10 в конечной точке перемещения, м/с.

Т.е. высота приподнятия h подбирается такой, чтобы пробоприемник 5 успевал долетать до столбика 36 раньше закрепления в колонне за время свободного падения t, равное или меньше времени перемещения штока 10 под действием пружины 21, иначе говоря за время t 2S/G (2).Тогда проделанный путь, а следовательно, и высота приподнятия должны быть h qt2/2; (3). Подставляя в выражение (3) выражение (2), получаем выражение (1).

Если пробоприемник 5 после касания

столбика 36 и определения глубины погружения перед отсоединением от ловителя вообще не приподнимать, происходит следующее. При постановке на столбик 36 канат 24 ослабляется, пружина 21 разжимается, шток 10 перемещается вниз, а плашки 8 выдвигаются и вступают в контакт с поверхностью 4 ниппеля 3. Затем при рывке каната 24 с силой, превышающей силу прижатия плашек 8 к поверхности 4, происходит срыв

и протаскивание вверх пробоприемника 5, который закрепляется в результате этого из- за действия сил инерции и трения выше места первоначального контакта плашек 8 с колонной. В итоге еще более увеличивается отставание башмака 6 пробоприемника 5 от башмака 2 колонны, которое с каждым последующим циклом углубки будет нарастать, Это потребует увеличения длины участка раскрепления, а следовательно, и длины ниппеля 3. Кроме того, расширяется мертвая неиспользуемая зона погружения колонны и затрудняется процесс ее извлечения после завершения бурения скважины.

В нашем случае после закрепления пробоприемника 5 в ниппеле 3 колонну 1 вместе с пробоприемником 5 ударным, вибрационным или вибровращательным способами погружают в породу на глубину, зависящую от геологических целей и физико-механических свойств пород, но не более чем на длину пробоприемника 5. На этом углубку заканчивают и осуществляют извлечение пробоприемника Если силы сопро- тивления внедрению в породу пробоприемника 5 превышают силу пружины 21 механизма закрепления, то происходит опережающее проникновение колонны 1 в породу, т.е. ее проскальзывание относи- тельно пробоприемника Эксцентрики 9, закрепленные в плашках 8, контактируют своей боковой поверхностью с поверхностью 4 ниппеля 3. Поэтому они при проскальзывании колонны начинают за счет сил трения разворачиваться и внедряться в тело ниппеля 3. Чем больше силы сопротивления, тем больше проскальзывание и больше внедрение эксцентриков, армированных износостойкими пластинами 18, в колонну и надежней закрепление пробоприемникэ 5. Износостойкие пластины 18, располагаясь острым концом 19 вверх к устью, не препятствуют спуску пробоприемника 5 в колонну 1, скользя своим тупым концом по ее поверхности и наоборот, внедряясь острым концом 19 в фрикционную поверхность 4 ниппеля 3 при его опережающей углубке, препятствуют проскальзыванию и проворо- ту пробоприемника 5 в колонне, еще более повышая надежность механизма закрепления. Кольцо 20 башмака 6 не только не мешает спуску пробоприемника 5, но и выполняет функции его центратора, обеспечивая контакт пробоприемника 5 с внутрен- ней поверхностью колонны 1 с минимальным трением. В процессе углубки кольцо 20, контактируя с поступающей вверх породой, сжимается, увеличиваясь в диаметре, и препятствует проникновению

породы в зазор между пробоприемником и колонной Это предохраняет пробоприем- ник от прихвата и заклинивания в колонне

Извлечение пробоприемника после углубки осуществляется следующим образом (фиг.2).

Внутрь колонны 1 опускают корпус 25 ловителя до захвата его кулачками 29 головки 11 пробоприемника 5 и дают натяжку каната 24. При этом пружина 21 сжимается, шток 10 перемещается вверх, плашки 8 с эксцентриками 9 сдвигаются под действием пружин 23 внутрь корпуса 7, эксцентрики 9 возвращаются пружинами 17 в исходное положение, а пробоприемник выводится из зацепления с колонной и приподнимается на поверхность. После освобождения от захвата кулачками 29 головки 11 пробоприемника его опорожняют и цикл углубки повторяется до завершения процесса бурения скважины.

Формула изобретения

1.Буровой снаряд, содержащий колонну труб с башмаком, пробоприемник с захватной головкой и узел закрепления пробоприемника в колонне в виде кинематически связанных между собой корпуса, стопоров с рабочей поверхностью с фрикционным покрытием и подпружиненного штока, отличающийся тем. что, с целью повышения надежности работы и расширения области применения, колонна снабжена ниппелем с фрикционным покрытием внутренней поверхности, пробоприемник - башмаком с уплотнительным кольцом, выполненным из мягкого упругого материала, шток выполнен с захватной головкой в верхней части и имеет форму усеченного конуса в средней части, стопоры - в виде подпружиненных конусных плашек с сегментной рабочей поверхностью, в теле которых на осях установлены подпружиненные эксцентрики, армированные износостойкими пластинами со скошенным торцом, при этом шток установлен с возможностью взаимодействия своей конусной поверхностью с плашками, а ниппель - с внутренней поверхностью колонны в рабочем положении, причем пластины размещены острым концом вверх.

2.Ловитель для извлекаемого пробоприемника бурового снаряда, содержащий спускаемый на канате корпус с фигурной полостью, установленные в ней на оси подпружиненные захваты с ограничителем хода и закрепленный на корпусе освобождающий трубчатый элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, освобождающий элемент выполнен с за;.ватной головкой и радиальными отверстиями с установленными в них шаровыми фиксаторами, обжатыми по наружной поверхности элемента втулкой из упругого материала, ограничители - в виде уступов в теле корпуса, захваты - в виде кулачков, установленных в корпусе с возможностью упора в уступы в рабочем сведенном состоянии, причем вертикальная составляющая сил сцепления фиксаторов больше массы пустого пробоприемника.

3. Способ применения ловителя, включающий захват пробоприемника ловителем, спуск его внутрь колонны до места закрепления, извлечение пробоприемника на поверхность и освобождение его от захвата, отличающийся тем, что головку пробоприемника захватывают фиксаторами освобождающего элемента, а головку элемента - кулачками корпуса ловителя, опускают пробоприемник до касания его башмаком башмака колонны или столбика породы, замечают по канату глубину погружения пробоприемника, приподнимают его на высоту h, рывком каната с силой, превышающей силу сцепления фиксаторов, освобождают от захвата головку

пробоприемника, извлекают на поверхность ловитель, освобождают от кулачков головку элемента и выводят его из состава ловителя, затем по завершении бурения внутрь колонны опускают корпус ловителя

0 до захвата его кулачками головки пробопри- емникз, извлекают пробоприемник на поверхность и освобождают от кулачков его головку, при этом высоту h определяют из следующего соотношения:

.

где S - возможное осевое перемещение штока;

q - ускорение свободного падения;

G - скорость перемещения подвижного конца пружины штока в конечной точке перемещения.

Использование: отбор породы одновременно с углублением и креплением скважи- ны обсадными трубами Сущность изобретения: буровой снаряд содержит колонну труб с башмаком. Колонна труб вы- полнена с ниппелями с фрикционным покрытием внутренней поверхности. Про- боприемник имеет захватную головку и башмак с уплотнительным кольцом, выполненным из мягкого упругого материала. Узел крепления пробоприемника в колонне выполнен в виде кинематически связанных между собой корпуса, стопоров с рабочей поверхностью с фрикционным покрытием и подпружиненного штока. Стопоры выполнены в виде подпружиненных конусных плашек с сегментной рабочей поверхностью, в теле которых на осях установлены подпружиненные эксцентрики, армированные износостойкими пластинами со скошенным торцом Шток взаимодействует своей конусной поверхностью с плашками Ниппель взаимодействует с внутренней поверхностью колонны в рабочем положении. Ловитель для извлекаемого пробоприемника бурового снаряда содержит спускаемый на канате корпус с фигурной полостью. В полости установлены подпружиненные захваты с ограничителем хода в виде уступов в теле корпуса Захваты выполнены в виде кулачков, установленных в корпусе с возможностью упора в уступы в рабочем сведенном состоянии Освобождающий элемент имеет захватную головку и радиальные отверстия с установленными в них шаровыми фиксаторами, обжатыми по наружной поверхности элемента втулкой из упругого материала. Способ применения ловителя включает захват головки пробоприемника фиксаторами освобождающего элемента. Головку элемента захватывают кулачками корпуса ловителя. Опускают пробоприемник до касания его башмаком башмака колонны или столбика керна, замечают по канату глубину погружения пробоприемника. Приподнимают его на высоту h рывком каната с силой, превышающей силу сцепления фиксаторов, освобождают от захвата головку пробоприемника. Извлекают на поверхность ловитель. 3 с.п. ф-лы, 5 ил. сл С х| СЛ О СЛ GJ ю

u Ј fe s

«S «a «o ; tv.

( -- ,- - --- /in /

y N)V N. (

.i / - И I I ..I I

И

L4

,У/Р/г..

Чь

ю

Фиг. 5