Устройство сигнализации границы угольных пластов Советский патент 1982 года по МПК E21C35/24 

1

Изобретение относится к горной технике, а именно к сигнализаторам грани,цы пластов и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин на угольных месторождениях.

Известны сигнализаторы границы (встречи) угольных пластов путем поверхнотного контроля механических параметров бурени) (например: скорости поступательного движения шпинделя ю бурового станка, скорости вращения барабана лебедки, осевой нагрузки на породоразрушающем инструменте, крутящего момента на шпинделе бурового стйнка и т.п.) и подачи информацио.н- ts него сигнала о встрече угольного пласта при изменении указанных параметров, соответствующем neipexoAy бурового снаряда из породы в угольный пласт Cl }.20

Общим недостатком указанных сигнализаторов является их низкая эффективность при встрече угольных пластов, залегающих на больших глубинах.

Отмеченный недостаток обусловлен тем, что при использовании данных сигнализаторов информация об изменении .указанных контролируемых параметров пе- редается с забоя к поверхностным регистрирующим и сигнальным устройствам через колонну бурильных труб.

В связи с этим, при большой длине колонны бурильных труб, соответствующей глубоким скважинам, информация об изменении механических параметров бурения передается к поверхности с запаздыванием (величина запаздывания определяется глубиной залегания пласта, а также конструкцией и степенью искривления скважины; она зависит также от отношения диаметра бурильных труб к диаметру скважины и от параметров режима бурения), что приводит на практике к частичному или полному пропуску угольных пластов и в конечном итоге к снижению качества кернового опробования угольных месторождений и значительным материально-техническим затратам, связанным с дополнительным опробованием пропущенных пластов. Известно также устройство сигнализации встречи угольных пластов, с держащее расположенный между колонной бурильных труб и буровым снарядом забойный датчик, внутри которог имеется канал для прохода промывочной жидкости из колонны к буровому снаряду и расположены выполненный в виде гидравлического затвора запорный орган и тарельчатая пружина, а также установленный на -поверхност :пульт бурового мастера, состоящий и подключенного к линии нагнетания , Иромывочной жидкости датчика давления, выход которого соединен с сигнализатором. Чувствительным элементом является пружина, сжатие которо пропорционально реакции забоя на по родоразрушающий инструмент при его переходе из породы кровли в угольны пласт 2. Недостатком известного сигнализатора границы угольных пластов является недостаточно высокая надежность и долговечность. Данный недостаток обусловлен недостаточно высокой надежностью и долговечностью забойного датчика указанного устройства, что связано с высоким механическим износом подверженных трению деталей запорного органа, а также с конструктивной особенностью забойного датчика, заключающейся в том, что забойны датчик известного сигнализатора является силовым звеном, через которое осевое усилие (достигающее нескольких тонн) и крутящий момент передаются от колонны бурильных труб к буровому снаряду. При этом в особенно тяжелых условиях работает упругий чувствительный элемент (пружина) запорного органа, через который передается осевое усилие. Практика эксплуатации сигнализаторов встречи угольных пластов рассматриваемой кон струкции показала, что зазор между запорным органом и его втулкой в результате высркого .механического износа повышается выше допустимого значения уже после проходки 20 м пород, что приводит к снижению ампли туды импульсов давления, формируемых забойным датчиком при встрече угольных пластов, из-за больших утечек жидкости по указанному зазору. Частым дефектом является также усталостная поломка пружин забойного датчика, вызывающая ложное срабатывание сигнализатора и необходимость его ремонта. Разборка и дефектация забойного датчика показывают также, что повышенному износу подвергаются детали шлицевого соединения датчика, через которое передается крутящий момент. Существенным недостатком известного сигнализатора встречи угольных пластов является также то, что конструкция сигнализатора не позволяет изменять в процессе бурения осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент (ни в сторону увеличения, ни в сторону уменьшения), поскольку чувствительный упругий элемент забойного датчика сигнализатора перед спуском в скважину HacfpaHBaetcp таким образом, чтобы при бурении породы кровли i/грльного пласта с заданной Осевой нагрузкой запорный орган не перекрывал канал для прохода промывочной жидкости к забою. В связи с этим изменение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент приведет к изменению деформации упругого элемента и, соответственно к перемещению затвора запорного органа, что вызовет перекрытие потока промывочной жидкости и в конечном итоге приведет к , ложному срабатыванию сигнализатора. По этой причине обевая нагрузка на породоразрушающий инструмент при ис- , пользовании известной конструкции сигнализатора должна поддерживаться в процессе бурения на постоянном уровне, что снижает эффективность бурения, особенно в условиях частой смены вмещающих пород кровли угольных пластов с изменением их механических свойств, требующих перенастройки осевой нагрузки.на породоразрушающий инструмент. Кроме того, поскольку кровля угольных пластов содержит вмещающие породы различной буримости, упругий чувствительный элемент забойного датчика сигнализатора должен практически .перед каждым спуском в скважину перенастраиваться на новое значение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, для чего требуется разбррка, регулировка и сборка забойного датчика, что усложняет эксплуатацию сигнализатора. Цель изобретения - повышение надежности и точности определения границы угольных пластов. Указанная цель достигается тем, что забойный датчик снабжен демпфером, инерционным элементом, размещенным в капсуле, установленной в корпусе забойного датчика и образующей с ним канал для прохода промывоч ной жидкости и связанной с демпфером и запорным элементом, причем последний выполнен с каналами, а в капсуле выполнена полость, сообщающаяся через каналы запорного органа с каналом для прохода промывочной жидкости Для обеспечения возможности регулирования динамических характеристик забойного датчика, инерционный элемент снабжен набором сменных регулировочных грузов. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 забойный датчик, разрез. Устройство включает расположенный между колонкой 1. бурильных и буровым снарядом 2 корпус 3 забойног датчика, внутри которого помещен выполненный в виде гидравлического зат вора k запорный орган, с возможность перемещения вдоль оси бурового снаря да, канал 5 для прохода промывочной жидкости из колонны 1 к породоразрушающему наконечнику 6 бурового снаряда 2. Установленный на поверх.ности сигнализатор 7 снабжен датчиком 8 давления, подключенным к линии 9 нагнетания бурового насоса 10, запорный орган Ц соединен с цилиндрическими инерционными элементами 11, опирающимся на пружину 12. Забойный датчик 3 вместе с буровым снарядом 2 и колонной 1 в процессе бурения на ходятся в скважине 13. Промывочная жидкость подводится к каналу 5 забой ного датчика из линии 9 нагнетания через вертлюг-сальник I и колонну 1. Из канала 5 жидкость подводится к породоразрушающему наконечнику 6 по каналу А, образованному зазором между корпусом забойного датчика 3 и за порным органом 4. Колонна 1 приводит ся во вращение с помощью вращателя 1 бурового станка 1б к редукторам 17. Для снижения габаритов (длины; забойного датчика инерционный элемен 11 выполнен из материала с большим удельным весом (например, свинца, бронзы и т.п.).В целях обеспечения стендовых и эксплуатационных регулировок динамических характеристик забойного датчика цилиндрический инер76ционный элемент снабжен набором сменных регулировочных грузов 18 и 19. В устройстве запорный орган выполнен с уравновешиванием сил давления промывочной жидкости,действующих на запорный орган в направлении оси бурового снаряда. Уравновешивание может быть обеспечено, .например, путем помещения затвора и цилиндрическую полость 20, соединенную каналами 21 с наружной поверхностью затвора, воспринимающей давление жидкости с стороны канала 5 при его перекрытии затвором . Чувствительный элемент забойного датчика помещен в изолированную от промывочной жидкости герметичную капсулу 22. В цилиндрической полорти 23 капсулы 22 размещен инерционный элемент 11, соединенный штоком с затвором , а также верхняя 25 и нижняя 12 пружины инерционного элемента. Капсула 22 расположена концентрично с корпусом 3 забойного датчика , таким образом, что между ними образуется кольцевой проточный канал Б, соединяющий канал А с выходным каналом 26, подключенным к буровому снаряду. Корпус 3 и капсула 22 соединены верхними 27 и нижними 28 ребрами крепления. Инерционный элемент 11 снабжен гидравлическим демпфером колебаний, выполненным в виде поршня 29, соединенного штоком 30 с инерционным элементом и помещенного в цилиндре, расположенном в капсуле 22 и разделенном поршнем 29 на верхнюю 31 и нижнюю 32 полости, заполненные рабочей жидкостью. Полости 31 и 32 соединены каналом 33, выполненным в поршне 29. В канале 33 установлен регулировочный дроссель 3, обеспечивающий возможность регулирования степени демпфирования колебаний инерционного элеменTall, вызываемых колебаниями бурового наконечника и снаряда в процессе бурения.Дроссель 3 может быть выполнен в виде сменных дроссельных шайб с калиброванным отверстием для прохода жидкости или в виде игольчатого дросселя, площадь проходного отверстия в котором регулируется путем перемещения игольчатого затвора. В качестве рабочей жидкости, заливаемой в полости 21 и 32 демпфера, используется масло на минеральной основе (например, АМГ-10, трансформаторное масло и т.п.) с вязкостью, стабильной в условиях изменения температуры

масла в широком диапазоне, что обеспечивает .стабильность характеристик демпфера при больших перепадах температуры окружающей среды, которые могут иметь место при эксплуатации сигнализауора. Шток 2«снабжен уплотнением 35, исключающим попадание промывочной Жидкости 8 полость 23, а для предотвращения вытеснения рабочей жидкости из полости 31 в полость 23 шток 30 снабжен уплотнением 36.

Устройство работает следующим образом.

При бурении породоразрушающим наконечником 6 породы кровли угольного пласта буровой снаряд 2 совершает пос+упательное движение с практически постоянной скоростью. При этом инерционный элемент 11 находится в нижнем исходном положении, а затвор отведен вниз от канала 5, благодаря чему обеспечивается свободный проход промывочной жидкости из канала 5 в канал А,откуда по каналам Б и 2б жидкость поступает к забою.Действующая на наружную поверхность (иглу) затвора сила от давления жидкости, стремящаяся спустить затвор и связанный с ним инерционный элемент 11 вниз, уравновешивается силой давления, действующего на затвор 4 с стороны полости 20 и передаваемого в указанную полость из канала 5 через каналы 21. Благодаря этому- компенсируется влияние давления промывочной жидкости в канале 5 на работу забойного датчика сигнализатора. Осевые колебания инерционного элемента 11 относительно корпуса 3. возбуждаемые колебаниями бурового снаряда 2, со- , провождающими процесс разрушения горной породы наконечником 6, гасятся за счет сил сопротивления вязкого трения рабочей жидкости, перетекающей по- за-i. зору между поршнем 29 и его цилиндром и через дроссель 3 при колебаниях поршня 29, соо&цаемых ему инерционным элементом 11. При переходе породоразрушающего наконе чника 6 из породы кровли в уголь- „ ный пласт сила сопротивления бурения (реакция забоя на породоразрушающий наконечник 6) резко снижается, в соответствии с чем резко возрастает скорость поступательного движения наконечг ника 6 и связанных с ним бурового снаряда 2 и корпуса 3 забойного датчика. Причем указанная скорость возрастает в течение короткого отрезка времени,, на котором корпус 3 забойного датчика движется с ускорением. При этом инерционный элемент 11 в силу инерции стремится сохранить свое начальное положение, занимаемое им до начала ускоренного движения корпуса 3. Игла затвора входит в канал 5 перекрывая доступ промывочной жидкости из Канала 5 к забою, в результате чего в канале 5 происходит интенсивное нарастание давления. Возрастающее давление создает на затворе k силу, препятствующую полному перекрытию канала 5 при ускорении корпуса 3, однако эта сила компенсируется силой давления, действующего на затвор 4 с стороны полости 20 и передаваемого в указ анную полость из канала 5 через каналы 21, благодаря чему обеспечивается полное перекрытие канала 5 .затЕром А. Импульс давления, формируей в канале 5, передается по столбу омывочной жидкости, заполняющей колонну 1, к датчику 8 давления. Выходной сигнал датчика 8 поступает на сигнальное устройство 7, которое подает информационный (световой, звуковой, визуально-наблюдаемый и т.п.) сигнал о встрече угольного пласта.

Использование силы инерции для перперекрытия потока промывочной жидкости у забоя скважины при переходе бурового снаряда из породы в угольный пласт позволяет создать качественно новый забойный датчик сигнализатора, чувствительный элемент которого, выполненный в виде инерционного элемента, разгружен от осевой нагрузки и крутящего момента, а детали запорного органа забойного датчика не подвержены повышенному механическому износу. Кроме того, поскольку работа забойного датчика с предлагаемым устройством не зависит от величины осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент,отпадает необходимость его регулировки перед спуском в скважину в случае изменения буримости пород кровли. Благодаря указанным достоинствам забойного датчика существенно повышается надежность и долговечность и упрощается эксплуатация сигнализатора в целом. Достоинством устройства является также то, чтЬ забойный датчик позво.ляет изменять в .необходимых пределах осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент в процессе бурения пород кровли угольного пласта, поскольку положение затвора датчика не завирит от величины указанной осевой нагрузки, Устройство позволяет также повысить быстродействие забойного датчика и тем самым повысить чувствительность к встрече угольного пласта, выраженную через величину пробуренного интервала угольного пласта к моменту подачи информационного сигнала о его встрече (чем меньше величина указанного интервала, тем выше чувствительность). Повышение быстродействия забойного датчика с предлага емым устройством объясняется тем, что время срабатывания его чувствительного инерционного элемента состав ляет лишь часть отрезка времени изменения скорости поступательного движения снаряда, в течение которой у с корение снаряда и, соответственно, сил инерции инертного элемента 11, возрастают от нуля до максимума. В течение указанного времени прои ходит относительное перемещение корпуса 3 с каналом 5 и затвора А, обес печивающее перекрытие потока промыво ной жидкости. Устройство может быть использовано не только для встречи угольных пластов, но и других полезных ископаемых, порода кровли которых отличается по степени буримости (в сторо ну увеличения или же в сторону умень шения - когда кровля мягче, чем полезное ископаемое) от полезного иско паемого, причем отличие настолько существенно, что позволяет получать импульс ускорения бурового снаряда при его переходе из породы кровли в массив полезного ископаемого, достаточный для четкого срабатывания. S 7 10 Формула изобретения 1. Устройство сигнализации границы угольных пластов, включающее датчик давления, -подключенный- к линии нагнетания- промывочной жидкости и расположенный между колонной бурильных труб и буровым снарядом забойный датчик с каналом для прохода промывочной жидкости и подпружиненным запорным органом, отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности и точности определения границы угольного пласта, забойный датчик снабжен демпфером, инерционным элементом, размещенным в капсуле, установленной в корпусе забойного датчика и образующей с ним канад для прохода промывочной жидкости и связанной с демпфером и запорным элементом, при- че« последнии выполнен с каналами, а в капсуле выполнена полость, сообщающаяся через каналы запорного органа с каналом для прохода промывочной жидкости, 2. Устройство по п.1, о т л и ч а с целью обеспею щ е е с я тем, что. чения возможности регулирования динамических характеристик забойного датчика, инерционный элемент снабжен набором смежных регулировочных грузов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Гайдуков Ю.И. и др. Методика и технология кернового опробования угольных месторождений. М., Недра, 1975, с. 91-102. 2.Гайдуков Ю.И., Мазаев П.К. Рекомендации по методике и технике встречи угольных пластов при бурении. Ростов-на-Дону, Донбасс, НИЛ, 1977, с. 6 - 12.

Л

i

Г