Керноотборник Советский патент 1992 года по МПК E21B25/00 

Изобретение относится к горному делу, а именно к средствам для бурения скважин с отбором керна.

Известен керноотборник, содержащий керноприемную трубу и керноподрезной механизм с дугообразными подрезными элементами 1.

Недостатком данного технического решения является то, что такой керноотборник может быть использован только для работы на однородных несыпучих грунтах, т. к. любые, даже небольшие по размерам, включения приводят к заклиниванию подрезных элементов, а их малая площадь приводит к просыпям грунта обратно в скважину.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является кернорватель, содержащий установленные в выемках корпуса кернозахватные элементы в виде полуколец 2.

Недостатком данного технического решения является то, что для подрезания и заклинивания керна кернозахватными элементами необходимо, чтобы керн одновременно оказывал одинаковое воздействие на

оба элемента. В связи с этим такой кернорватель нельзя применять для работы на грунтах с включениями. При работе данного устройства на сыпучих грунтах возможны просыпи, т. к. кернозахватные элементы не обеспечивают перекрытия внутреннего отверстия бура,

Целью изобретения является расширение области применения керноотборника за счет возможности работы на грунтах с включениями и сыпучих грунтах.

Указанная цель достигается тем, что в керноотборнике керноприемная труба соединена с буровой коронкой посредством промежуточного кольца, на котором шарнирно закреплен керноподрезной элемент, а между керноподрезным элементом и промежуточным кольцом установлен упругий элемент, причем керноподрезной элемент представляет собой ромбовидную пластину, изогнутую радиусом R в плоскости большей диагонали, равной л R, а меньшая диагональ равна 2R. где R - внутренним радиус керноприемной трубы, кроме того две боковые грани керноподрезного элемента,

Ё

VI 4J

О

а

ел

образующие между софой тупой угол, заточены под углом у 90 ° - а , где а - угол между меньшей диагональю керноподрез- ного элемента и образующей керноприем- ной трубы, а шарнир установлен в вершине противоположного тупого угла.

На фиг. 1 изображен вертикальный разрез керноотборника; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - развертка керно- подрезного элемента; на фиг. 4 - силы, действующие на режущую кромку керноподрезного элемента в процессе заглубления керноотборника; на фиг. 5 - силы, возникающие у режущей кромки керноподрезного элемента в начале подъема керноотборника; на фиг. 6 - то же, при сколе керна.

Керноотборник содержит керноприем- ную трубу 1, соединенную с буровой коронкой 2 посредством промежуточного кольца 3. На промежуточном кольце 3 шарнирно закреплены керноподрезной элемент 4 и упругий элемент 5.

Керноподрезной элемент 4 представляет соб,ой ромбовидную пластину, изогнутую в плоскости большей диагонали по внутреннему радиусу керноприемной трубы 1. Большая диагональ ромбовидной пластины равна п R, а меньшая равна 2R, где R - внутренний радиус керноприемной трубы. Две боковые грани пластины, образующие между собой тупой угол, заточены под углом у 90° - а и образуют режущую кромку 6. В вершине тупого угла, образуемого противоположными гранями, расположен шарнир 7, с помощью которого керноподрезной элемент 4 соединяется с промежуточным кольцом 3.

Керноотборник работает следующим образом.

При вращении и подаче керноотборника в массив грунта керн заполняет керноп- риемную трубу 1 и отклоняет керноподрезной элемент 4 в вертикальное положение. Упругий элемент 5 оказывает давление на керноподрезной элемент 4, благодаря этому керноподрезной элемент 4 несколько отклоняется от вертикального положения. При движении керна вверх по керноприемной трубе 1 у режущей кромки 6 элемента 4 возникают силы, стремящиеся прижать элемент 4 к трубе 1: сила, направленная по нормали к элементу 4 и определяемая из выражения N1 Кх; где х - прогиб упругого элемента 5, а К - жесткость упругого элемента 5, и продольная сила, зависящая от трения грунта по стали, определяемая из выражения Р1 fN1, где f -- коэффициент трения. Результирующая сила F1, равная геометрической сумме сил N1 и Р1, направлена в сторону керноприемной трубы 1, благодаря чему стенки керна остаются неразрушенными (фиг. 4).

После окончания процесса бурения при

извлечении бурового рабочего органа из скважины керноприемная труба 1 начинает двигаться вверх относительно керна. При этом элемент 4 под действием пружины 5

начинает внедряться в керн и на режущую кромку 6 элемента 4 начинают действовать реакции от сил резания керна элементом 4. Величина и направление этих сил зависят от угла заточки у режущей кромки 6 и определяются по известным зависимостям (см. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. - М.: Машиностроение, 1971, с. 259, формулы (26.7а), (37.7). При этом нормальная сила резания N будет направлена перпендикулярно элементу 4, а касательная Р - вдоль элемента 4. Результирующая сила F, равная геометрической сумме сил N и Р, направлена в сторону керна и затягивает керноподрезной элемент 4 в керн (фиг. 5).

В связи с тем, что нормальная сила N Pctg( у+ ц), где /г-угол внешнего трения грунта, у- угол заточки режущей кромки 6 то для того, чтобы сила N была направлена

в сторону керна, необходимо, чтобы угол у 90° - а, где а- угол между меньшей диагональю керноподрезного элемента и образующей керноприемной трубы. Керн своим весом G воздействует на ,,керноподрезной элемент 4 (фиг. 6), результирующая сила F возрастает, происходит скалывание керна и под действием его веса керноподрезной элемент 4 опускается в горизонтальное положение, практически полностью

перекрывая внутреннее отверстие керноприемной трубы.

Керноподрезной элемент 4, находясь, в горизонтальном положении, опирается на короночное кольцо 2, т. к. внутренний диаметр керноприемной трубы 1 больше внутреннего диаметра короночного кольца 2. Это предотвращает дальнейшее движение кернсподрезного элемента 4. Керноподрезной элемент, находясь в горизонтальном положении, выполняет функцию заслонки.

После извлечения бурового рабочего органа с заполняющим его керном из скважины, короночное кольцо 2 и промежуточное 3 вместе с подрезным элементом 4

отсоединяются от керноприемной трубы 1, которая затем легко освобождается от заполняющего ее керна, т, к. его диаметр равен внутреннему диаметру короночного кольца 2 и меньше внутреннего диаметра

керноприемной трубы 1. Наличие прочных включений не влияет на работу керноотбор- ника. При встрече таких включений с режущей кромкой 6 керноподреэного элемента 4, керноподрезной элемент А либо разрушает включения (при достаточной результирующей силе), либо, благодаря своему шарнирному креплению 7, обходит их и разрушает менее прочные участки керна. В связи с тем, что керноподрезной элемент 4 практически полностью перекрывает внутреннее отверстие керноприемной трубы, просып и грунта значительно уменьшаются и эффективность работы керноотборника на сыпучих грунтах возрастает.

В результате применения данного технического решения расширяется область применения керноотборника за счет возможности работы на грунтах с включениями и сыпучих грунтах.

Формула изобретения Керноотборник, содержащий керноп- риемную трубу с буровой коронкой в нижней части и керноподрезной элемент, о тличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности работы в сыпучих грунтах и грунтах с включениями, он

снабжен промежуточным кольцом, соединяющим керноприемную трубу с буровой коронкой, упругим элементом, размещенным между керноподрезным элементом и промежуточным кольцом, при этом керноподрезной элемент шарнирно закреплен на промежуточном кольце и выполнен в виде ромбовидной пластины, изогнутой радиусом R по большей диагонали, равной JtR, меньшая диагональ равна 2R. две боковые

грани керноподрезного элемента, образующие между собой тупой угол, заострены под углом - а , где R - внутренний радиус керноприемной трубы, а- угол между меньшей диагональю керноподреэкого элемента и образующей керноприемной трубы в исходном положении, а шарнир установлен в вершине противоположного тупого угла.

Использование: подрезка керна после его выбуривания. Сущность изобретения: устройство содержит керноприемную трубу, связанную промежуточным кольцом с буровой коронкой. Между керноподрезным элементов и промежуточным кольцом размещен упругий элемент. Керноподрезной элемент шарнирно закреплен на промежуточном кольце и выполнен в виде ромбовидной пластины. 6 ил.

г

Va-lZ

фиг.З

Ы