Колонковый снаряд Советский патент 1993 года по МПК E21B25/00 

СО

с

Использование: колонковое бурение ге- олого-разведочных скважин в сложных геологических условиях. Сущность изобретения: устройство содержит наружную трубу с породоразрушающим инструментом в ниж: ней части. В ней размещены керноприем- нэя труба и гидроударный узел. Гидроударный узел выполнен в виде подпружиненного трубчатого золотника - ударника с отверстиями в нижней части и наружным профилированным буртом с регулировочными кольцами. Золотник - ударник установлен концентрично на керноприем- ной трубе с возможностью свободного про- дольного перемещения. Внутренняя поверхность золотника - ударника обрези- нена, Породорэзрушающий инструмент связан с наружной трубой шлицевым соединением. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, а именно к техническим средствам для колонкового бурения разведочных скважин в сложных геологических условиях.

Известен способ бурения с применением гидроударника для интенсификации процесса забойного разрушения, при этом ударный механизм, приводимый в действие промывочной жидкостью, выполняется в виде отдельного узла, устанавливаемого над , колонковой трубой.Применение гидроударнй- ков способствует улучшению производительности бурения, снижению числа и снятию самозаклинок керна в колонковых трубах.

Однако используемые гидроударники дороги, сложны по конструкции и технологической обеспеченности их применения, весьма чувствительны параметрам рабочей жидкости. Использование их не позволяет в достаточной степени регулировать в процессе бурения энергию удара, ведет к потерям передаваемых импульсов в длинных колонковых трубах, раздутию резьб труб, сложны также ликвидации аварий, обусловленные поломками самих гидроударников.

Известен также колонковый снаряд, включающий колонковую трубу с породоразрушающим инструментом.переходник с генератором гидравлических колебаний и виброэлемент в виде гофрированной пружины в форме однополосного гиперболоида в шлицевой муфте, установленной по длине колонковой трубы (прототип). Колонковый снаряд позволяет повысить эффективность бурения за счет использования генерируемых гидроударов, создающих совместно с гофрированной пружиной ДОППЛНИГОЛЬНЫР

V|

00 00 Ю О

динамические нагрузки на породоразруша- ющий инструмент.

Недостатком известного колонкового снаряда является его конструктивная сложность, трудность регулировки, потеря жесткости компановки из-за наличия шлицевого соединения колонковой трубы, потери и рассеяние импульсной энергии в нижерасположенной колонковой трубе, а также большой доли энергии в вышерасположенную колонну труб.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения в перемещающихся по крепости породах.

Указанная цель достигается за счет непосредственного воздействия механогид- равлических импульсов через породоразрушающий инструмент на забой, для чего гидроударный узел выполнен в виде подпружиненного трубчатого золотника - ударника с отверстиями в нижней части и наружным профилированным буртом с регулировочными кольцами и концентрично установлен на кёрноприемной трубе, с возможностью свободного продольного перемещения, при этом породоразрушающий инструмент связан с наружной трубой шли- цевым соединением.

Кроме того внутренняя поверхность золотника-ударника обрезинена.

Выполнением пружинного трубчатого золотника в виде ударника достигается возможность использования массы самого зо- лотника для на несения ударов по породоразрушающему инструменту, в то время как свойство золотника-ударника как собственно золотника позволяет организовать гидроудары в жидкости непосредственно в области породоразрушающего инструмента. Интегрированное непосредственное воздействие механогидравличе- ских импульсов на породоразрушающий инструмент позволит увеличить динамическую составляющую процесса внедрения породоразрушающих элементов в породу забоя, что повысит эффективность бурения в целом; . Наличие наружного профилированного бурта с регулировочными кольцами даст возможность движущейся по кольцевому зазору жидкости осуществлять толкание золотника-ударника в направлении на породоразрушающий инструмент, при этом сила толкания может регулироваться как скоростью потока жидкости, т.е. производительностью насоса, так и количеством регулировочных колец в бурте, что равносильно парусности.

Возможность свободного продольного перемещения трубчатого золотника-ударника по кёрноприемной трубе, ссоблюдени- ем достаточной герметизации между ними, позволяет организовать автоколебательный режим его движения, что обуславливает

. импульсные нагрузки на породоразрушающий инструмент как за счет ударов по нему золотника-ударника, так и за счет создаваемых золотником - ударником гидроударов. Покрытие резиновой пленкой внутрен0 ней поверхности трубчатого золотника- ударника снижает до минимума трения между ним и кёрноприемной трубой и обуславливает достаточную герметизацию их контакта.

5 Импульсные нагрузки предполагают продольное смещение породоразрушающего инструмента относительно колонкового снаряда, что обеспечивается наличием шлицевого соединения между ними, которое по0 зволяет также прекратить работу золотника-ударника при подъеме снаряда над забоем и увеличении зазора между по- родоразрушающим инструментом и кёрноприемной трубой.

5 Нафиг.1 представлен предлагаемый колонковый снаряд; на фиг,2 - разрез по А-А на фиг.1; на.фиг.З - разрез по Б-Б фиг.1.

Колонковый снаряд состоит из наружной колонковой трубы 1, внутри которой ко0 аксиально расположена с зазором керноприемная труба 2. Породоразрушающий инструмент 3 закрепляется на колонковой трубе 1 посредством шлицевого соединения 4 и с зазором 5 относительно

5 кёрноприемной трубы 2. На керноприем- ную трубу 2 насажен с возможностью свободного продольного перемещения золотник-ударник 6, имеющий наружный профилированный бурт 7, в который опира0 ется пружина 8, распирающая породоразрушающий инструмент 3 и золотник-ударник 6. Шейка 9 профилированного бурта 7 является посадочным местом для регулировоч- ных колец 10, количеством которых

5 регулируется парусность бурта 7. Нижний конец золотника-ударника 6 на удалении от торца, равном или несколько большем величины зазора 5,опоясан отверстиями 11, диаметр которых равен величине продольного

0 люфта шлифовочного соединения 4. Полумуфты шлицевого соединения 4 закреплены между собой скобой 12. Внутренняя поверхность золотника-ударника б обрезинена резиной 13,5 Колонковый снаряд работает следующим образом.

В собранном виде колонковый снаряд опускается на забой скважины. Подается от насоса промывочная жидкость, снаряд загружается усилием в осевом направлении.

прикладывается крутящий момент, вследствие чего производится разрушение забоя и выбурка керна. Промывочная жидкость поступает к породоразрушающему инструменту 3 по зазору между наружной и колонковой трубой 1 и керноприемной трубой 2, омывает золотник-ударник 6 с его профилированным буртом 7 и по зазору 5 поступает внутрь керноприемной трубы 2, захватывает керн и шлам и выносит их на поверхность. Кроме того, промывочная жидкость попадает на забой, смачивает шлам и охлаждает режущие элементы поро- доразрушающего инструмента 3. Омывая профилированный бурт 7 с регулировочны- ми кольцами 10, имеющий определенную парусность, жидкость захватывает его, а значит и золотник-ударник 6 и толкает на породоразрушающий инструмент 3, нанося по последнему удар. В момент удара золот- ник-ударник 6 резко и полностью перекрывает выход жидкости в зазор 5, вследствие чего в полости породоразрушающего инструмента 3 возникает гидравлический удар, давление которого также полезно воздейст- вует на породоразрушающий инструмент 3 в направлении забоя.

Поскольку в момент гидроудара жидкость полностью останавливается и исчезает влияние ее скоростной составляющей на парусность профилированного бурта 7 с регулировочными кольцами 10, то зслотник- ударник б пружиной 8 возвращается в исходное положение (так называемый водяной таран), определяемое размерами и жесткостью пружины 8. Возврату золотника-ударника 6 в начальной стадии движения способствует также импульс давления жидкости гидроудара, воздействующий на про- филированный бурт 7 со стороны породоразрушающего инструмента 3.

Вновь открывается зазор 5 и возобновленный ускоряющий ток жидкости начинает снова воздействовать на профилированный бурт 7 и процесс повторяется. Таким обра- зом создаются автоколебания с ударами золотника-ударника б, влекущие за собой гидроудары, и их совместное ударное воздействие на породоразрушающий инструмент 3. Это способствует лучшему внедрению рабочих элементов породоразрушающего инструмента 3 в забой, Такая динамика работы особенно желательна для твердосплавного инструмента в комплексах КГК при проходке коренных кристаллйче- ских пород, поскольку твердосплавные по- родорежущие элементы наиболее стойки и эффективны в этих условиях в сочетании с ударным нагружением. Таким образом появляется возможность проходить комплексом КГК всю скважину, включающую осадочные и коренные породы, заглубляясь в последние нз несколько метров, не меняя породоразрушающий инструмент, т.е. за один рейс, что является как раз весьма желаемой целью использования комплекса КГК.

Частота и сила ударов золотника-ударника б по породоразрушающему инструменту 3 являются зависящими в основном от таких параметров, как масса золотника- ударника б и сила воздействия скорости струи-на профилированный бурт 7, шейка 9 которого наполняется регулировочными кольцами 10 в зависимости от необходимой парусности профилированного бурта 7, а значит на золотник-ударник 6.

Нанесение осевых ударов по породоразрушающему инструменту 3 естественно сопровождается его осевыми смещениями, для чего в конструкции предусмотрено шли- цевое соединение 4 с соединительной скобой 12 и люфтом. При подъеме снаряда шлицевое соединение 4 даст возможность породоразрушающему инструменту 3 сместиться в осевом направлении на величину этого люфта, т.е. зазор увеличится, вследствие чего отверстия 11 золотника-ударника 6 совместятся с зазором 5 и станут пропускать жидкость, а значит исчезнет необходимое условие автоколебательного режима, выражающееся в остановке в определенный момент движения жидкости, таким образом золотник-ударник 6 будет остановлен в крайнем нижнем (по схеме) положении, т.е. при подъеме снаряда над забоем (например при расходке) ненужного в это время механогидравлического импульсного нагружения породоразрушающего инструмента 3 не будет. Это необходимое условие, предотвращающее разрушение шлицевого соединения. С постановкой снаряда на забой автоколебания золотника-ударника б вновь возобновляются, а следовательно возобновится и ударный режим.

Прекращение ударной работы может осуществляться и посредством уменьшения, либо полного прекращения подачи про- мывочной жидкости, В связи .с этим конструкция заявляемого колонкового снаряда может быть без шлицевого соединения, т.е. на обычной резьбе. Однако в этом случае осевые нагрузки на снаряд при бурении должны быть такими, чтобы деформэци- онная релаксация низа снаряда.под воздействием ударных нагрузок не превышала деформаций от осевых нагрузок; условие, которое позволяет не нагружать резьбовое соединение нежелательными импульсными растягивающими нагрузками.

Внутренняя поверхность золотника- ударника 6 покрыта резиной 13 для необходимой герметизации контакта золотник-ударник б - керноприемная труба 2, а также для того, чтобы уменьшить трение в этом контакте. Однако, при больших скоростях движение жидкости в зазоре колонковая труба 1 -керноприемная труба 2 и достаточно длинном золотнике-ударнике 6 и его возможно точной посадке со скольжением на керноприемную трубу 2 возможно изготовление золотника-ударника 6 без внутреннего обрезинивания 13, поскольку в этом случае сохраняются все компоненты автоколебательного режима и гидроударов.

Применение предлагаемого технического решения позволит в частности расширить возможности эффективного использования твердосплавного породе- разрушающего инструмента в комплексах КГК, повысить эффективность собственно КГК за счет использования на весь рейс, включая коренные породы, одной твердосплавной коронки, улучшить энерговроружен- ность использования алмазных коронок в двойных колонковых снарядах при увеличении производительности и скорости бурения этими снарядами и коронками и их ресурса.

Формула изобретения

2. Колонковый снаряд по п. 1. о т. л. и ч а- ю щ и и с я тем, что внутренняя поверхность золотника-ударника обрезинена.