ПРОБОВІДБИРАЧ

Автор:А.А. Каракозов, О.И. Калиниченко, А.Н. Рязанов,В.А. Русанов,И.А. Юшков
Источник:Д.П. № 51070 Е21В25/18 Бюл. №11 від 15.11.2002.

Пробовідбирач, який включає поршневий пдродвигун і ударний вузол, що складається з бойка, корпусу і ковадла, жорстко з'єднанного з керноприймальною трубою, який відрізняється тим, що шток поршня пдродвигуна виконаний ок ремо від бойка і на ньому встановлені захвати для періодичної взаємодії з бойком і перегородкою, яка відокремлює пдродвигун від ударного вузла, при цьому на бойку і перегородці виконані КОНІЧНІ поверхні, а ковадло і керноприймальна труба встановлені з можливістю переміщення відносно корпусу ударного вузла.

Винахід стосується гірничої промисловості, а саме технічних засобів буріння підводних сверд ловин на шельфі і може бути використаний для відбору проб грунтів у нескельних донних відкла деннях.

Відомий пробовідбірник (див Применение по гружных автономных установок для однорейсово го бурения подводных скважин / Калиниченко О.И., Коломоец А. В., Квашин Е.В. и др. // Обзор ВИЭМС — М, 1988 — с 31 - 33), що включає по ршневий пдродвигун, ударний вузол, який склада ється з бойка, з'єднаного з поршнем пдродвигуна, корпуса, верхнього і нижнього ковадел, жорстко зв'язаних з подвійним колонковим набором.

Пристрій працює в такий спосіб При подачі рі дини в поршневий пдродвигун бойок рухається зворотно-поступально і в кінцевих точках траєкто рії руху наносить удари по ковадлах. Під дією цих ударів, відбувається заглиблення колонкового на бору в ґрунт і відбір проби По закінченні рейса пробовідбірник витягається зі свердловини судно вою лебідкою.

Даний пробовідбірник має наступні недоліки:

1. Занурення колонкового набору в ґрунт від бувається під дією ударних навантажень, спрямо ваних як вгору, так і вниз Таким чином, має місце вібраційний вплив на ґрунт, який порушує його структуру, а, отже, знижує якість проби, що відби рається;

2. Оскільки при зануренні в ґрунт пробовідбір ник рухається зворотно-поступально, то може від буватися його відрив від вибою, а це призводить до порушення структури проби, що відбирається.

3. Оскільки характер руху бойка на робочому ході визначається подачею приводного насоса, то у випадку нерівномірної подачі і втрат у гідравліч ній магістралі (що постійно спостерігається в реа льних умовах експлуатації) енергетичні параметри бойка можуть значно відрізнятися від розрахунко вих. Але при експлуатації забивних пробовідбірни ков, у яких реалізується забивний спосіб занурен ня керноприймальної труби в ґрунт із частотою ударів у межах 1 Гц, необхідна підтримка енерге тичних характеристик бойка на постійному рівні, оскільки тільки в цьому випадку можна точно про гнозувати процес відбору проби, а, отже, і оцінити його тривалість 3 погляду якості проби це є важ ливим недоліком, оскільки у випадку надмірного заглиблення колонкового набору в ґрунт проба ущільнюється і її структура порушується, а при недостатньому заглибленні проба не завжди може бути використана по призначенню.

4. Наявність подвійного колонкового набору приводить до збільшення лобового опору ґрунту і, як наслідок цього, - до утворення ущільненого яд- ра під пристроєм, що занурюється, а це негативно позначається на якості проби, що відбирається.

Найбільш близьким аналогом до винаходу, що заявляється, є пробовідбірник установки ПУВБ- 150 (див. Шелковников И. Г., Лукошков А. В. Техни ческие средства подводного разведочного буре ния и опробования — Л. ЛГУ, 1979 — с 139 - 141, рис 72, г.). Пробовідбірник включає поршневий пдродвигун, ударний вузол, що складається з бойка, з єднаного з поршнем пдродвигуна, корпуса, верхнього і нижнього ковадел, жорстко зв'язаних з керноприймальною трубою

Пристрій працює в такий спосіб При роботі гі дродвигуна бойок рухається з во ротно-поступально і наносить удари по ковадлах. Під дією ударів від бувається заглиблення керноприймальної труби в грунт По закінченні рейса пробовідбірник витяга ється зі свердловини судновою лебідкою.

Даний пробовідбірник має наступні недоліки:

Занурення керноприймальної труби в ґрунт відбувається під дією ударних навантажень, спря мованих як вгору, так і вниз. Таким чином, має місце вібраційний вплив на ґрунт, який порушує його структуру, а отже, знижує якість проби, що відбирається.

Оскільки при зануренні в ґрунт пробовідбір- ник рухається зворотно-поступально, то може від- буватися його відрив від вибою, а це приводить до порушення структури проби, що відбирається.
Оскільки характер руху бойка на робочому ході визначається подачею приводного насоса, то у випадку нерівномірної подачі і втрат у гідравліч ній магістралі (що постійно спостерігається в реа льних умовах експлуатації) енергетичні параметри бойка можуть значно відрізнятися від розрахунко вих. Але при експлуатації пробовідбірников, у яких реалізується забивний спосіб занурення керноп риймальної труби в ґрунт із частотою ударів у ме жах 1 Гц, необхідна підтримка енергетичних харак теристик бойка на постійному рівні, оскільки тільки в цьому випадку можна точно прогнозувати процес добору проби, а, отже, і оцінити його тривалість З погляду якості проби це є важливим недоліком, оскільки у випадку надмірного заглиблення керно приймальної труби в ґрунт проба ущільнюється і її структура порушується, а при недостатньому за глибленні проба не завжди може бути використана по призначенню.

У винаході, що заявляється, поставлена зада ча вдосконалення пробовідбірника, у якому, за рахунок забезпечення незалежності руху бойка на робочому ході від роботи приводного пдродвигуна, занурення керноприймальної труби в ґрунт під дією ударів тільки одного напрямку і підтримки постійного контакту керноприймальної труби з ви боєм, досягається підвищення якості проб, що відбираються.

Поставлена задача вирішується тим, що у ві домому пробовідбірнику, який включає поршневий пдродвигун і ударний вузол, що складається з бойка, корпусу і ковадла, жорстко з'єднаного з ке рноприймальною трубою, ВІДПОВІДНО до винаходу, шток поршня пдродвигуна виконаний окремо від бойка і на ньому встановлені захвати для періоди чної взаємодії з бойком і перегородкою, яка відо кремлює пдродвигун від ударного вузла, при цьо му на бойку і перегородці виконані КОНІЧНІ поверхні, а ковадло і керноприймальна труба встановлені з можливістю переміщення відносно корпуса ударного вузла.

Відділення бойка від штока поршня пдродви гуна й установка на штоку захватів, виконаних з можливістю періодичної взаємодії з бойком і пере городкою, яка відокремлює пдродвигун від ударно го вузла, а також виконання на бойку і перегородці конічних поверхонь, дозволяє забезпечити неза лежність руху бойка на робочому ході від роботи пдродвигуна і створення ударних навантажень, які діють на керноприймальну трубу тільки в одному напрямку При такім конструктивному виконаннi підйом бойка над ковадлом ударного вузла здійс нюється пдродвигуном, шток якого з'єднується з бойком захватами в нижньому положенні поршня пдродвигуна. При ПІДЙОМІ останнього до рівня, коли захвати взаємодіють з перегородкою, бойок звільняється, рухається під дією власної ваги до ковадла і наносить по ньому удар Таким чином, на керноприймальну трубу періодично діють тільки ударні навантаження, спрямовані вниз, що дозво ляє одержати непорушену пробу, оскільки вдаєть ся уникнути вібраційного впливу на неї. Крім того, незалежний рух бойка на робочому ході дозволяє точно прогнозувати процес занурення керноприй мальної труби в ґрунт, що дає можливість досить точно оцінити час відбору проби заданої довжини.

Установка ковадла і керноприймальної труби з можливістю переміщення відносно корпуса удар ного вузла дозволяє забезпечити постійний кон такт керноприймальної труби з вибоєм, а це пози тивно впливає на схоронність структури матеріалу проби, а, отже, і на якість випробування.

Зазначені ознаки складають суть винаходу, тому що є необхідними і достатніми для досягнен ня технічного результату - підвищення якості проб, що відбираються.

Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 показаний загальний вид пробовідбірника, на фіг. 2 - схема розміщення пробовідбірника в бури льній колоні при установці його на вибій, а на фіг. 3 - схема роботи пробовідбірника в процесі відбору проби

До складу пробовідбірника входять розподіль ний переходник 1, кожух 2, корпуса 3 і 4, перего родка 5, яка відокремлює ударний вузол «а» від пдродвигуна «б». До переходнику 1, у якому вико нані канали 6 і 7, знизу кріпиться клапанна коробка 8 з циліндром 9 У циліндрі 9 установлений по ршень 10 зі штоком 11, що проходить через пере городку 5, отвір якої в нижній своїй частині має конічну поверхню 12. Клапанна група складається з випускного клапана 13, встановленого в клапан ній коробці 8, впускного клапана 14, пружини 15, штовхальника 16, верхнього 17 і нижнього 18 об межників, причому хвостовик клапана 13, пружина 15 і обмежники 17, 18 розміщені в поршні 10, а штовхальник 16 з'єднує клапана 13 і 14 На штоку 11 розміщаються захвати 19 з направляючою во ронкою 20 Бойок 21, який має конічну головку 22 для з'єднання з захватами 19, розміщається в кор пусі 4 ударного вузла «а». У нижньому переходни ку 23 корпуса 4 встановлене ковадло 24, з'єднане з керноприймальною трубою 25, у верхній частині якої виконано отвір 26, а нижня має башмак 27 з кернорвателем 28 Втулка 29 для фіксації пробо відбірника в бурильній колоні встановлена на ко жусі 2 і з'єднана з перегородкою 5 шпилькою 30.

Пробовідбірник працює в такий спосіб Він спускається в свердловину всередині колони бу рильних труб. При контакті поверхонь втулки 29 і посадкового кільця бурильної колони спуск закін чується. Після подачі в бурильну колону промивної рідини шпилька 30 зрізується (для цього тиск зрізу вибирається менше пускового тиску пдродвигуна), дозволяючи пристрою вільно переміститися вниз до упора керноприймальної труби 25 у вибій свер дловини башмаком 27, при цьому переходник 23 корпуса 4 спирається на ковадло 24. Поршень 10 знаходиться в нижнім положенні, захвати 19 штока 11 з'єднані з бойком 21, що знаходиться на ковадлі 24. Клапанна група знаходиться у початковому стані - випускний клапан 13 відкритий, а впускний 14 закритий.

Рідина по каналу 6 розподільного переходника 1 і зазору між корпусом 3 і циліндром 9 надходить під поршень 10, який під тиском рідини переміща ється вгору, піднімаючи бойок 21 над ковадлом 24. Рідина з верхньої порожнини циліндра 9 через клапанну коробку 8, по канапу 7 і кільцевому зазо ру між корпусом 3 і кожухом 2 витісняється в по рожнину бурильної колони і далі в свердловину. Коли поршень 10 займе положення, при якому верхній обмежник 17 стикнеться з випускним кла паном 13 і зупиниться, пружина 15 почне стискува тися. Клапанна група залишається у початковому положенні за рахунок тиску рідини на впускний клапан 14

При подальшому ПІДЙОМІ поршня 10 пружина 15 продовжує стискуватися до моменту зіткнення обмежників 17 і 18. Сили удару і стиску пружини 15 приводять до перестановки клапанної групи у вер хнє положення При цьому випускний клапан 13 перекриє канал 7, а з'єднаний з ним штовхальни ками 16 впускний клапан 14 підніметься і відкриє прохід рідини в клапанну коробку 8 і у верхню по рожнину циліндра 9. Це положення клапанів буде зберігатися за рахунок тиску рідини на клапан 13. Після перестановки клапанів тиск рідини в над і подпоршневой порожнинах циліндра 9 вирівню ється і поршень 10 почне рухатися вниз під дією результуючої сили (оскільки ЙОГО площа зверху більше, ніж знизу). Переміщаючись, поршень 10 досягає положення, при якому нижній обмежник 18 взаємодіє з хвостовиком випускного клапана 13. При подальшому опусканні поршня 10 пружина 15 стискується до моменту зіткнення обмежників 17 і 18. Сили стиску пружини 15 і удару нижнім обмеж ником 18 по хвостовику випускного клапана 13, повертають його у початкове положення. Зміщаючись вниз, випускний клапан 13 відкриває канал 7, а впускний клапан 14, який опускається вниз під дією швидкісного напору рідини і власної ваги, перекриє прохід рідини в клапанну коробку 8. Далі цикл роботи пдродвигуна повторюється.

При переміщенні поршня 10 вгору, у момент початку стиску пружини 15, захвати 10, взаємодію чи з конічною поверхнею 12 перегородки 5 корпуса ударного вузла «а», відпускають бойок 21, який під дією власної ваги переміщається вниз і наносить удар по ковадлу 24. Під дією удару керноприйма льна труба 25 заглиблюється в ґрунт, який надхо дить у и порожнину, віджимаючи в сторони пелюс тки кернорвателя 28. Рідина з порожнини керноприймапьної труби 25 витісняється в сверд ловину через отвір 26. При цьому верхня частина пробовідбірника тиском рідини переміщається до контакту переходника 23 корпуса 4 з ковадлом 24, що забезпечує постійну висоту скидання бойка 21, а, отже, і стабільну енергію зіткнення бойка 21 з ковадлом 24.

Параметри гідродвигуна можна підібрати таким чином, щоб при своєму русі вниз шток 11 поршня 10 не доганяв бойок 21, а з'єднувався з ним захватами 19 тільки після нанесення удару. Направляюча воронка 20 при цьому гарантує з'єднання захватів 19 з бойком 21 у випадку їхнього неспіввісного положення.

Оскільки В процесі відбору проби кожух 2 пе реміщається відносно втулки 20, то при повному заглибленні керноприймальної труби 25 у ґрунт канал 6 перекривається втулкою 29. Тиск у системі зростає, що є сигналом закінчення рейса. При цьому подачу рідини припиняють. Бурильну колону піднімають на величину рейсового заглиблення, витягаючи керноприймальну трубу 25 з ґрунту. При цьому кернорватель 28 утримує в ній відібра ну пробу. Потім у бурильну колону опускають овершот, який з'єднується з конічною головкою розпо дільного переходника 1, і піднімають пробовідбірник на поверхню.

Використання запропонованого пробовідбір ника дозволяє підвищити якість проб, що відбира ються, за рахунок забезпечення незалежності руху бойка на робочому ході від роботи приводного пдродвигуна, занурення керноприймальної труби в ґрунт під дією ударних навантажень тільки одного напрямку і підтримки постійного контакту керноп риймальної труби з вибоєм у процесі роботи при строю.

Фіг.1, Фіг.2

Фіг.3