Конструктивные элементы (узлы) двойных колонковых снарядов

Основными конструктивными элементами ДКС являются: соединение керноприемника с буровым снарядом; породоразрушающий орган; циркуляционная система и схема движения очистного агента в каналах снаряда; конструкция керноприемника и кернозахватывающего устройства. Присоединение керноприемника в ДКС может быть; неподвижным (жестким), подвижным или комбинированным.

При жестком резьбовом соединении керноприемной трубы с переходником в снарядах с вращающейся внутренней трубой типа ДКС—HcKп—В (рис. 17.3, а) устраняется разрушающее действие скоростного напора очистного агента и размывающее действие потока на керн, так как его движение происходит в кольцевом зазоре между наружной и внутренней трубами. Однако в этом случае керн не предохраняется от действия механических факторов.

Подвижное соединение может обеспечивать свободное движение керноприемника только вокруг оси — вращение (рис. 17.3, б, в) или два вида движения (вокруг и вдоль оси), В последнем случае оба вида движения могут осуществляться одновременно (рис. 17.3, г) или попеременно, когда керноприемник либо не вращается при вращении снаряда, либо вращается вместе с ним (рис. 17.3, д).

Подвижное присоединение керноприемника с возможностью его движения (вращения) только вокруг оси снаряда осуществляется с помощью подшипникового узла или подвески (см. рис. 17.3, б, в). Такая конструкция присоединения керноприемника обеспечивает защиту керна не только от действия потока очистного агента, но и от целого ряда механических факторов, возникающих при вращении керноприемника. Реализуется эта схема в ДКС с невращающейся при бурении керноприемной трубой и эффективна при отборе керна в слабоустойчивых образованиях, легко разрушающихся под действием потока очистного агента и большинства механических факторов. Ho при этом не устраняется действие на керн ПРИ и частичное действие потока очистного агента при формировании керна.

Присоединение керноприемника с возможностью его движения вдоль и вокруг оси снаряда устраняет некоторые недостатки конструктивных решений, присущие другим схемам. Внутренняя керноприемная труба в этом случае работает как штамп, формируя керн с опережением забоя, внедряясь в достаточно мягкие образования под действием силы сжатия пружины. Однако при встрече пропластков или включений твердых пород штамп не внедряется и процесс формирования керна прекращается, что ограничивает область применения ДКС такой конструкции.

С целью устранения этого недостатка была предложена схема комбинированного присоединения керноприемника, при котором он, работая как штамп, в мягких образованиях не вращается, а при встрече твердых включений утапливается внутрь снаряда, сжимая пружину, и при включении фрикциона (или кулачковой муфты) начинает вращаться, обуривая столбик керна тонкостенной коронкой — штампом (см. рис. 17.3, д). Недостаток такой конструкции заключается в том, что в период вращения керноприемной трубы при бурении твердых прослойков находящийся в ней керн, сформированный при бурении мягких малоустойчивых образований, подвергается действию механических факторов и разрушается, как и в случае применения конструкции, показанной на рис. 17.3, а. Таким образом, усложнение конструкции практически не оправдывается.

ДКС той или иной из рассмотренных конструкций могут быть использованы для получения представительного керна при бурении определенных типов пород или полезных ископаемых, разрушающихся либо под действием только потока очистного агента, либо совокупности некоторых факторов.

Схема циркуляции очистного агента в ДКС может быть прямая, обратная или комбинированная. Прямой поток движется по кольцевому зазору между наружной и внутренней трубами к забою (вниз), а вверх он может двигаться либо только по зазору между снарядом и стенками скважины (рис. 17.4, а), либо внутри керноприемника (рис. 17.4, б), либо разделяться на две части (рис. 17.4, в). Для формирования восходящего потока внутри керноприемной трубы необходим циркуляционный канал, соединяющий внутреннюю полость керноприемника с полостью скважины или межтрубного зазора.

В случае реализации первой схемы внутри керноприемника создается избыточное давление по мере заполнения его керном, вытесняющим очистной агент из керноприемника по зазору между керном и коронкой, что приводит к ухудшению его качества. С целью устранения этого недостатка в переходнике ДКС делают дренажные каналы с выходом навстречу потоку или в зазор между колонковыми трубами (рис. 17.3, а, б) и с выходом в полость скважины (рис. 17.3, в, г, д). В случае вытеснения жидкости или газа навстречу потоку очистного агента через клапан в полости керноприемной трубы создается дополнительное сопротивление продвижению керна, играющего роль поршня, за счет избыточного давления на клапан со стороны потока. Это может привести к деформации керна и нарушению его структуры. Таким же недостатком обладает и вторая схема. Наиболее благоприятной в этом отношении является схема соединения внутренней трубы с полостью скважины, при которой устраняется отмеченный недостаток. Ho наличие обратного клапана в дренажном канале и в этом случае создает дополнительные сопротивления и вызывает отказы в работе системы дренажа при зашламовании клапана дренажного канала.

Наиболее оптимальная схема дренажа без обратного клапана реализуется в ДКС—ТПИ при возможности осевого перемещения внутренней части снаряда относительно наружной, как это показано на рис. 17.4, г. В этом случае очистной агент из керноприемника поступает в полость скважины с пониженным давлением вместе с восходящим потоком, и керн не испытывает больших сопротивлений при заполнении керноприемника. Более того, восходящий поток, как было показано ранее, предупреждает самозаклинивание керна и устраняет действие ряда отрицательных факторов. Перед подъемом такого снаряда с керном подвижные части его 1 и 2 смещаются так, что дренажный канал 3 перекрывается (см. рис. 17.4, д), за счет чего внутренняя полость керноприемника разобщается с полостью скважины. Для того, чтобы осуществить очистку керноприемника от шлама после спуска его на забой (перед началом бурения), в переходнике делают осевой канал, через который может двигаться прямой поток очистного агента, перекрываемый перед началом бурения шариком 4.

Разделение потока очистного агента зависит от конструктивных решений и гидравлических сопротивлений, возникающих в циркуляционных каналах ДКС. Теоретически можно выделить несколько принципиальных схем циркуляции очистного агента. Практически направление движения потока определяется гидравлическими сопротивлениями в различных участках промывочных каналов. При этом следует различать каналы с постоянными гидравлическими сопротивлениями, зависящими от конструктивных решений и, следовательно, поддающимися расчету и регулированию, и каналы с меняющимися сопротивлениями — в зазорах между снарядом и керном, снарядом и стенками скважины. Это связано с тем, что сечение и длина этих зазоров в процессе углубки скважины меняются по мере заполнения внутренней трубы керном или при смене пород, а также при накапливании шлама в призабойной части скважины. В связи с этим в ряде конструктивных решений, рассчитанных на стабильное разделение потока очистного агента, не всегда достигается ожидаемый эффект. В частности, при использовании эжекторных снарядов (с водоструйным погружным насосом) или использовании ПРИ специальных конструкций с циркуляционными каналами, которые должны обеспечивать принудительное разделение потока.

Здесь следует отметить, что конструкция коронок с принудительным разделением потока позволяет регулировать заданную (начальную) интенсивность его движения изменением числа и сечений каналов, по которым циркулирует промывочная жидкость.

Таким образом, можно выделить две схемы движения очистного агента в ДКС: без циркуляции внутри керноприемной трубы и с циркуляцией, как правило, восходящего (обратного) потока и пять схем разделения основного (рабочего) потока в породоразрушающем инструменте (рис. 17.5).

Конструкция керноприемника в значительной степени определяет сохранность керна при бурении скважины и извлечении его из керноприемной трубы. В качестве керноприемника обычно используют стандартную колонковую трубу, присоединяемую к переходнику ДКС либо жестко с помощью резьбы, либо свободно с помощью специального узла-подвески с подшипником (см. рис. 17.3, б, в). В случае жесткого или комбинированного соединения к нижнему концу керноприемника можно присоединять коронку, формирующую керн при вращении бурового снаряда. При свободной подвеске керноприемника нижнему свободному торцу его обычно придают определенную форму в соответствии с конструкцией кернозахватывающего устройства и ПРИ, или к нему присоединяют специальный наконечник — стакан.

Для уменьшения сил сопротивления продвижению керна в керноприемник и его лучшего сохранения внутренняя поверхность керноприемника должна быть гладкой. Это достигается шлифованием, покраской или смазкой внутренней поверхности. С целью сохранения представительности керна при его извлечении керноприемную трубу в некоторых случаях делают разрезной вдоль оси, т. е. из двух половинок, скрепляемых резьбовыми соединениями, или в нее встраивают разъемную гильзу. Керн в этих случаях свободно извлекают после разъема керноприемника или гильзы.

Общим недостатком керноприемников описанных конструкций является то, что формирующийся в процессе бурения керновый материал перемещается относительно керноприемника, что приводит к его уплотнению или самозаклиниванию кусочков. Это ухудшает представительность керна и, в конечном счете, вызывает преждевременное прекращение углубки и вынужденный подъем снаряда на поверхность.

Породоразрушающим органом ДКС могут служить стандартные коронки (алмазные, твердосплавные, шарошечные, дробовые) или специальные ПРИ, отвечающие определенным требованиям. Так, у ДКС с жестким соединением (см. рис. 173, а) применяют стандартные коронки, присоединяемые к наружной и внутренней колонковым трубам. Коронка внутренней трубы, опережающая при этом наружную, формирует керн, а наружной — работает только на углубку скважины. Забой имеет в этом случае ступенчатую форму.

У двойных колонковых снарядов с невращающейся внутренней трубой, имеющей возможность перемещения в осевом направлении (см. рис. 17.3, г), керноприемная труба оснащается коронкой (стаканом) с острым режущим торцом. Таким же ПРИ может оснащаться невращающаяся керноприемная труба при отсутствии возможности перемещения в осевом направлении. Однако это обстоятельство сужает область применения таких ДКС, поэтому их, как правило, применяют для отбора керна мягких или рыхлых полезных ископаемых.

Наконец, у снарядов комбинированного типа (см. рис. 17.3, д) керноприемная труба оснащается специальной тонкостенной коронкой-стаканом, армируемой резцами из твердого сплава, которая работает либо как штамп (в мягких образованиях), либо как коронка (при встрече включений твердых пород).

Рассмотренные решения для ДКС с невращающимся при бурении керноприемником ограничивают область применения таких конструкций и обеспечивают повышение представительности получаемого керна только при бурении в мягких или рыхлых однородных по твердости породах и непригодны для бурения в разрезах, сложенных перемежающимися по твердости слоями пород или полезного ископаемого (например, угольные, пласты сложного строения). Конструкция ДКС комбинированного типа в таких условиях не обеспечивает полной сохранности керна по отмеченным ранее причинам,

Оптимальным решением вопроса в этом случае является применение ПРИ специальной конструкции с увеличенной толщиной тела коронки и конической формой торцовой части. Такой ПРИ работает на углубку скважины и обуривает керн в любых по твердости породах, в связи с чем он получил название коронки обуривающего типа (см. рис. 17.3, г, д). В этом случае нижний конец керноприемной трубы приближается максимально к забою, прямой поток очистного агента может быть направлен в основном на забой и в затрубное пространство, а конусная форма торца коронки обеспечивает снижение поперечных колебаний. При армировании коронок такой конструкции соответствующими породоразрушающими элементами (резцами) область применения ДКС существенно расширяется и отпадает необходимость применять снаряды комбинированного типа, имеющие обычно сложное устройство.

Кернозахватывающие устройства играют существенную роль в процессе получения представительного керна, так как они должны обеспечить захват (срыв) выбуренного керна у забоя и надежное удержание его в процессе подъема снаряда из скважины. Эта операция может осуществляться затиркой керна (созданием породной пробки в коронке), который при подъеме снаряда удерживается силами трения (при бурении в мягких породах), заклиниванием керна кусочками твердых материалов или мягкой проволоки, или с помощью специальных кернорвательных устройств механического действия. Первые два способа мало надежны и чреваты возможностью прижога коронки или прихвата бурового снаряда, нарушением структуры керна и потерей его во время подъема. Причем затиркой возможно осуществить захват керна только при бурении в мягких или рыхлых породах, а применение заклиночного материала усложняет конструкцию ДКС и технологию взятия керна.

Более надежным способом захвата и удержания керна является применение механических кернорвателей, которые по принципу действия и конструктивным признакам делятся на ряд типов: открытые (рис. 17.6) или закрытые, свободного или принудительного действия. Захват и удержание керна при этом способе происходит с помощью пружинящих устройств в виде разрезных колец (цангового типа), сжимающихся при перемещении в конусе корпуса кернорвателя (рис. 17.6, а, б, в), в виде пластинок (рис. 17.6, г), а также в виде лепестков (рис. 17.6, д) или стальных проволочек (рис. 17.6, е).

Кернорватели открытого типа имеют один общий недостаток — их кернозахватывающие элементы постоянно контактируют с керном, что исключает возможность расхаживания снаряда (отрыва от забоя), нередко препятствует продвижению керна в керноприемник, что приводит к поломкам и преждевременному износу кернозахватывающих элементов, а в целом не обеспечивает полной надежности в работе. Такие кернорватели имеют ограниченную область применения.

Открытые кернорватели свободного действия цангового типа (см. рис. 17.6, а, б) предназначены для срыва и удержания столбиков керна твердых монолитных пород. Захват керна в этом случае происходит только при подъеме снаряда и перемещении рвательного кольца в нижнюю часть конической расточки в корпусе кернорвателя за счет сил трения между керном и кернозахватывающими элементами. Если такого зацепления не произойдет, рвательное кольцо будет скользить по керну, и он не будет сорван.

С целью расширения области применения кернорвателей цангового типа их оснащают пружинящими лепестками, свободные концы которых изогнуты к оси кернорвателя и предназначены для захватывания крупных кусков (обломков) керна (см. рис. 17.6, в). Эго повышает надежность захвата кернового материала, но и возможность отказов, так как уменьшает вероятность перемещения рвательного кольца в коническую расточку и заклинивания цельного столбика керна — кольцо "зависает" на керне за счет прижатых к нему пружинящих лепестков. Кроме того, попавшие в процессе формирования керна кусочки за тыльную часть лепестков будут препятствовать продвижению керна в керноприемник.

Кернорвательное устройство свободного действия пластинчатого типа (см. рис. 17.6, г) по замыслу предназначено для срыва и захвата цельного и разрушенного керна. В принципе оно должно работать достаточно надежно, но при таком исполнении возможно попадание кусочков керна за тыльную часть лепестков, что будет препятствовать их открыванию и соответственно продвижению керна внутрь керноприемника.

Кернорватели лепесткового или проволочного типа (см. рис. 17.6, д, е), предназначенные для захвата и удержания только разрушенного кернового материала в виде крупных кусочков, страдают теми же недостатками, что и ранее описанные.

Открытые кернорватели принудительного действия (рис. 17.6, ж, з), предназначенные для захвата столбиков керна твердых пород, более надежны в работе, чем кернорватели свободного действия, но имеют ограниченное применение и более сложны в конструктивном исполнении, так как действуют только при наличии нажимного механизма гидравлического или механического типа.

Кернорватели закрытого типа свободного действия могут иметь лепестковые (пружинные) или пластинчатые (секторные) кернозахватывающие элементы, располагающиеся при бурении в зазоре между колонковыми трубами. Для освобождения кернозахватывающих элементов по окончании углубки внутренняя труба должна быть перемещена в осевом направлении.

Наиболее универсальным и надежным в работе является лепестковый (клапанный) кернорватель закрытого типа с фиксированной при спуске снаряда и бурении внутренней трубой и принудительным перемещением ее с целью освобождения пластинок в момент захвата керна конструкции Томского политехнического института (рис. 17.7). Недостатком такой конструкции является то, что на забое остаются части керна («пенька»), так как отрыв его происходит по контакту рвательных пластинок с керном на высоте 7—10 см от забоя, и что возможно проскальзывание пластинок по столбику керна очень твердых пород с хорошо обработанной поверхностью. К достоинствам можно отнести возможность полного перекрытия выхода из керноприемника, что гарантирует удержание даже мелкораздробленного кернового материала при подъеме снаряда, достаточная универсальность и надежность работы такой конструкции.

Кроме перечисленных конструкций известны кернорватели закрытого типа принудительного действия, не имеющие перечисленных недостатков, но более сложные по конструктивному исполнению.