Вакуумный грунтонос Советский патент 1981 года по МПК G01N1/04 

I

Изобретение относится к горному делу и может найти применение для отбора проб слабосвязного грунта с морского дна, а также из водозаполненных скважин.

Известен вакуумный грунтонос, содержащий ударный механизм, колонковую трубу, цилиндр, поршень, обратный клапан, шток и пружину I.

Недостатком данного грунтоноса является то, что вакуум над отбираемой колонкой грунта создается не в момент удара и внедрения колонковой трубы, а в период пауз между ударами и во время подъема грунтоноса на дневную .поверхность. В момент же внедрения давление воды, выталкиваемой из грунтоноса, больше окружающего гидростатического, т.е. грунтонос работает в прямоточ.ном режиме. Нисходящий фильтрационный поток поровой воды, возникающей вследствие перепада давлений, уплотняет грунт в трубе и уменьшает

проходку за удар. Кроме того, фильтрационный поток воды, выйдя из-под наконечника колонковой трубы, устремляется в зону наименьшего сопротивления, т.е. вверх, вынося туда же частицы грунта. При опробовании в скважине это приводит к засорению межтрубного зазора и опасности заклинивания грунтоноса в обсадной трубе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является вакуумный грунтонос, содержащий цилиндр с установленным на нем ударным механизмом, размещенный в цилиндре поршень, закрепленный на верхнем конце перфорированного полого штока, нижний конец которого пропущен сквозь днище цилиндра и соединен с колонковой трубой, причем надпоршневая полость цилиндра сообщена с гидросферой и отделена от полостей штока и колонковой трубы посредством обратного клапана 2. Разрежение над колонкой грунта создается в мо мент внедрения пробоотборника и отсутствует при его подъеме на поверхность. Благодаря этому увеличивается длина и повьппается качество отбираемых колонок грунта. Недостаток грунтоноса заключается в больших размерах и весе цилиндра, объем которого должен быть не менее объема колонковой трубы. Это усложняет использование грунтоноса с мало тонажных судов, а также в скважинах. Целью изобретения является уменьшение веса и габаритов грунтоноса. Указанная цель достигается за счет того, что вакуумный грунтонос,, содержашлй цилиндр с установленным на нем ударным механизмом, размещенный в цилиндре по1 гаень, закрепленньй на верхнем конце перфорированного полого штока, нижний конец которого пропущен сквозь днище цилиндра и соединен с колонковой тру-; бой, а между поршневой полостью цилиндра и полостями щтока и колонковой трубы установлен обратный кла пан, грунтонос снабжен закрепленной на цилиндре крышкой и пружиной сжатия, установленной между поршнем и крышкой, а перфорированный участок штока размещен в подпоршневой полости цилиндра, причем стенки цилиндра и крышка выполнены с отвер тиями. На чертеже изображен продольньш разрез грунтоноса. Вакуумный грунтонос содержит цилиндр 1 с установленным на нем удар ным механизмом, включаютЦим муфту 2 с вертикальным каналом 3, в котором вмонтировань электроды 4, соединенные электрической цепью с источнико электрических импульсов (электричес кая цепь и источник импульсов на че теже не показаны). В цилиндре разме щен поршень 5, закрепленньп на верх нем конце полого штока 6, в стенке которого сделаны сквозные отверстия (перфорация ), причем перфорированны участой штока размещен в подпоршневой полости цилиндра. Нижний конец штока рропущен сквозь днище цилиндра, соединен с колонковой трубой 8, снабженной наконечником 9, лепестко вым клапаном 10 и вкладышем II. На верхнем торце цилиндра закреплена крышка 12, а между ней и 5 установлена пружина сжатия 13. 4 .4 Надпоршневая полость цилиндра сообщена с гидросферой посредством отверстий 14 в стенке цилиндра 1 и отверстий 15 в крьппке. От полостей колонковой трубы и штока надпоршневая полость цилиндра отделена обратным клапаном 16, установленньш на поршне. Петлей 17 грунтонос соединен с тросом 18 судовой лебедки. При отборе проб с поверхности дна вертикальность грунтоноса обеспечивается с помощью опорной рамы 19, соединенной стропами {на чертеже не показаны) с цилиндром 1. Работает вакуумный грунтонос следующим образом. С помощью лебедки грунтонос опускают на дно или на забой водозаполненной скважины и включают удар Ш механизм. При подаче напряжения на электроды 4 происходит разряд, образующий парогазовую сферу, которая выталкивает воду из канала 3 и создает импульс силы. Под воздействием последней муфта 2 вместе с цилиндром 1 смещаются вниз, сжимая пружину 13 и создавая под поршнем разрежение. Гидростатическое давление захлопывает обратный клапан и создает задавливающее усилие Р , равное произведению гидростатического давления на площадь поршня 5. Остаток энергии силового импульса расходуется на удар цилиндра I по колонковой трубе 8. При внедрении вода из надпоршневой полости цилиндра выдавливается в гидросферу через отверстия 14 и 15. Понижение давления в подпоршневой полости цилиндра и в сообщенной с ней полостью колонковой трубы приводит к возникновению восходящего фильтрационного потока поровой воды грунта. Водонасьшгенные слабосвязные донные отложения относятся к так называемым псевдоплывунам. Прочность таких грунтов определяется весом частиц, который через точки контакта между ними передается от верхних слоев нижним. Устранение веса зерен приводит к полной потере грунтом прочности. Например, в условиях невесомости бурение рыхых отложений не представляло бы никакого труда. Примерно такое же ействие, что и невесомость, произодит восходящий фильтрационный оток перовой воды грунта. Поровая йода под действием перепада давлений переходит из состояния покоя .в движение, обтекая зерна грунта и оказывая на них давление, направленное против силы тяжести. Частицы теряют вес и контакт с соседними частицами. Толща грунта, подверженная восходящей фильтрации приобретает свойства плывуна, сопротивление внедрению резко уменьшается. В период пауз междуударами пружина 13 возвращает цилиндр 1-в исходное положение. Вода из подпоршневой полости цилиндра через отверстия 7, приподняв клапан 16, выдавливается в надпоршневую полость, а оттуда, при очередном ударе, - в гидросферу. При работев скважине за счет создаваемого в момент удара разрежения происходит обратная промывка скважины. Межтрубный зазор очищается от частиц грунта, уменьшается опа ность заклинивания грунтоноса в обсадной трубе. В 1978 г в морской экспедиции Пр морского территориального геологического упра вления при бурении двух. производственных скважин на шельфе о.Сахалин был испытан экспериментал , ный образец предложенного вакуумног грунтоноса. Производительность последнего оказалась в 5 раз вьш1е, чем у прямоточных грунтоносов, а длинав 2 раза меньше. -Формула изобретения 1. Вакуумный грунтонос, содержащий цилиндр с установленным на нем ударным механизмом, размещенный в цилиндре поршень, закрепленный на верхнем конце перфорированного полого штока, нижний конец которого пропущен сквозь днище цилиндра и соединен с колонковой трубой, а между поршневой полостью цилиндра и полостями штока и колонковой трубы установлен обратный клапан, отличающий ся тем, что, с цег лью уменьщения веса и габаритов грунтоноса, он снабжен закрепленной на цилиндре крьш1кой и пружиной сжатия, установленной между поршнем и крьш1кой, а перфорированный участок штока размещен в подпоршневой поло.сти цилиндра. 2. Вакуумньв грунтонос по п.1, О т л и ч а ю щ и и с я тем, что стенки цилиндра и крьшхка выполнены с отверстиями. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 289333, кл. Q 01 N 1/00, 1963. 2. Авторское свидетельство СССР К 412372, кл. Е 21 В 49/02, 1976.