Колонковий снаряд

Реферат: Винахід належить до галузі буріння свердловин, а саме до технічних засобів буріння підводних свердловин на шельфі, і може бути використаний для відбору проб ґрунтів у нескельних донних відкладеннях. Колонковий снаряд містить золотникову втулку з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан, колонкову трубу та гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, а також з кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом гідроударника, в якому виконаний канал для зв'язку зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби, приєднаної до ковадла. Випускна порожнина гідроударника з'єднана каналом з зовнішнім простором. Розподільна камера перехідника зв'язана каналами з нагнітальною порожниною гідроударника і через дросельну втулку з зовнішнім простором. В перехіднику виконаний канал, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом. Золотникова втулка розміщена в порожнині штока, який встановлений в розподільній камері з можливістю обмеженого повздовжнього переміщення і контакту з її верхньою і нижньою поверхнями. Зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом канал в перехіднику перекритий штоком. Порожнина штока вище золотникової втулки з'єднана з джерелом тиску, а порожнина нижче золотникової втулки з'єднана з розподільною камерою радіальними отворами у штоку, які виконані з можливістю з'єднання зі зв'язаним з зазором між кожухом і корпусом каналом в перехіднику для одночасного їх відділення від розподільної камери. Золотникова втулка виконана з можливістю перекриття свого осьового каналу нижньою внутрішньою поверхнею штока. UA 103415 C2 (12) UA 103415 C2 UA 103415 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі буріння свердловин, а саме технічних засобів буріння підводних свердловин на шельфі, і може бути використаний для відбору проб ґрунтів у нескельних донних відкладеннях. Відомий колонковий снаряд (патент України на винахід № 87218 кл. Е21В 21/00, 25/00, опубл. 25.06.2009), який містить колонкову трубу і гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом, в якому виконаний канал, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом, і розташований насос з робочою камерою, з'єднаною з зовнішнім простором і з порожниною колонкової труби системою каналів і клапанів. На ковадлі зі сторони колонкової труби встановлений шток з підпружиненим кільцевим клапаном. Золотникова втулка з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан розташована в розподільній камері, зв'язаній каналами з джерелом тиску, зазором між кожухом і корпусом, нагнітальною порожниною гідроударника та зовнішнім простором. Канали між розподільною камерою і нагнітальною порожниною гідроударника та зовнішнім простором з'єднані між собою, причому в останньому встановлена дросельна втулка, а випускна порожнина гідроударника з'єднана з зовнішнім простором. Підпружинений кільцевий клапан розміщений у зазорі між штоком та циліндром, встановленим між ковадлом і колонковою трубою, випускна порожнина гідроударника з'єднана з зовнішнім простором зазором між кожухом і корпусом гідроударника, каналом у ковадлі, осьовими каналами в кільцевому клапані і виконаною на його зовнішній бічній поверхні проточкою та радіальними отворами у циліндрі. При цьому кільцевий клапан виконаний з можливістю перекриття радіальних отворів у циліндрі і з'єднання каналу у ковадлі з порожниною колонкової труби. Пристрій працює таким чином. Він спускається у свердловину на бурильних трубах. Рідина, яка подається від джерела тиску в колонковий снаряд, проходить через осьовий канал золотникової втулки у зазор між кожухом і корпусом, переміщує кільцевий клапан вниз, та надходить в порожнину колонкової труби і далі - на вибій свердловини. При цьому породи на вибої розмиваються. Потім по трубах скидають пусковий клапан, який сідає у сідло золотникової втулки. Вона рухається вниз і відкриває канал до нагнітальної порожнини гідроударника. При подачі рідини від джерела тиску гідроударник наносить удари, під дією яких відбувається заглиблення колонкової труби в ґрунт і відбір його проби. При цьому одна частина рідини скидається в свердловину через дросельну втулку, а друга, яка пройшла через гідроударник, скидається в свердловину через канали кільцевого клапану. По закінченні рейсу снаряд витягається зі свердловини. З нього видаляють пробу і пусковий клапан та повертають в початкове положення золотникову втулку. Цей колонковий снаряд має недолік, який полягає в тому, що при розмиві свердловини в міцних глинистих ґрунтах швидкість буріння значно зменшується у порівнянні з більш м'якими породами. Але застосувати гідроударник для додаткового механічного розпушення породи на вибої свердловини неможливо, оскільки він заблокований поршнем верхнього розподільного вузла. Тому прискорити швидкість буріння можливо лише за рахунок застосування більш потужних насосів для подачі більшої кількості рідини через колонковий снаряд на вибій свердловини. Але це потребує застосування в якості джерела тиску більш потужних насосів, що обумовлює потребу в більш потужних джерелах енергії, використання яких збільшує затрати на виконання бурових робіт. Найбільш близьким аналогом до винаходу, що заявляється, є колонковий снаряд (патент України на винахід № 81016 кл. Е21В 21/00, 25/00, опубл. 26.11.2007), до складу якого входить гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, а також з кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом гідроударника, та колонкова труба, з'єднана з ковадлом, в якому розташований насос з робочою камерою, зв'язаною з зовнішнім простором вихлопними каналом і клапаном та з порожниною колонкової труби - всмоктувальними каналом і клапаном, і виконаний канал для зв'язку зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби. В розподільній камері, яка зв'язана каналами з джерелом тиску, зазором між кожухом і корпусом, нагнітальною порожниною гідроударника та зовнішнім простором, розташована золотникова втулка з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан. На ковадлі зі сторони колонкової труби встановлено шток, у якому розташований всмоктувальний канал насоса, а канал у ковадлі для з'єднання зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби перекритий підпружиненим кільцевим клапаном, встановленим на штоку з можливістю перекриття всмоктувального каналу насоса. Канали для зв'язку розподільної камери з нагнітальною порожниною гідроударника і для зв'язку через дросельну втулку з зовнішнім простором з'єднані між собою, а випускна порожнина гідроударника з'єднана каналом з зовнішнім простором. 1 UA 103415 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій працює таким чином. Він спускається у свердловину на бурильних трубах. Рідина, яка подається від джерела тиску в колонковий снаряд, проходить через осьовий канал золотникової втулки у зазор між кожухом і корпусом, переміщує кільцевий клапан вниз та надходить в порожнину колонкової труби і далі - на вибій свердловини. При цьому породи на вибої розмиваються. Потім по трубах скидають пусковий клапан, який сідає у сідло золотникової втулки. Вона рухається вниз і відкриває канал до нагнітальної порожнини гідроударника. При подачі рідини від джерела тиску гідроударник наносить удари, під дією яких відбувається заглиблення колонкової труби в ґрунт і відбір його проби. При цьому одна частина рідини скидається в свердловину безпосередньо через дросельну втулку, а друга - через гідроударник. По закінченні рейсу снаряд витягається зі свердловини. З нього видаляють пробу і пусковий клапан та повертають в початкове положення золотникову втулку. Ознаки найближчого аналога, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється: золотникова втулка з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан, колонкова труба та гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, а також з кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом гідроударника, в якому виконаний канал для зв'язку зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби, приєднаної до ковадла, випускна порожнина гідроударника з'єднана каналом з зовнішнім простором, розподільна камера перехідника зв'язана каналами з нагнітальною порожниною гідроударника і через дросельну втулку з зовнішнім простором, в перехіднику виконаний канал, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом. Цей колонковий снаряд має недолік, який полягає в тому, що при розмиві свердловини в міцних глинистих ґрунтах швидкість буріння значно зменшується у порівнянні з більш м'якими породами. Але застосувати гідроударник для додаткового механічного розпушення породи на вибої свердловини неможливо, оскільки він заблокований поршнем верхнього розподільного вузла. Тому прискорити буріння можливо лише за рахунок застосування більш потужних насосів для подачі більшої кількості рідини через колонковий снаряд на вибій свердловини. Але це потребує застосування як джерела тиску більш потужних насосів, що обумовлює потребу в більш потужних джерелах енергії, використання яких збільшує затрати на виконання бурових робіт. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення колонкового снаряда, в якому, за рахунок забезпечення чергування механічного розпушення вибою свердловини і розмиву потоком рідини, досягається підвищення швидкості буріння свердловини без відбору проби, особливо при бурінні в міцних глинистих ґрунтах. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому колонковому снаряді, до складу якого входить золотникова втулка з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан, колонкова труба та гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, а також з кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом гідроударника, в якому виконаний канал для зв'язку зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби, приєднаної до ковадла, випускна порожнина гідроударника з'єднана каналом з зовнішнім простором, розподільна камера перехідника зв'язана каналами з нагнітальною порожниною гідроударника і через дросельну втулку з зовнішнім простором, в перехіднику виконаний канал, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом, відповідно до винаходу, золотникова втулка розміщена в порожнині штока, який встановлений в розподільній камері з можливістю обмеженого повздовжнього переміщення і контакту з її верхньою і нижньою поверхнями, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом канал в перехіднику перекритий штоком, порожнина штока вище золотникової втулки з'єднана з джерелом тиску, а порожнина нижче золотникової втулки з'єднана з розподільною камерою радіальними отворами у штоку, які виконані з можливістю з'єднання зі зв'язаним з зазором між кожухом і корпусом каналом в перехіднику для одночасного їх відділення від розподільної камери, а золотникова втулка виконана з можливістю перекриття свого осьового каналу нижньою внутрішньою поверхнею штока. Зазначені ознаки складають суть винаходу, тому що є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату - підвищення швидкості буріння свердловини без відбору проби, особливо при бурінні в міцних глинистих ґрунтах за рахунок забезпечення чергування механічного розпушення вибою свердловини гідроударником і розмиву потоком рідини. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 показаний загальний вигляд колонкового снаряда, на фіг. 2 - схема руху рідини в колонковому снаряді при розмиві вибою свердловини, на фіг. 3 - схема руху рідини в колонковому снаряді при роботі гідроударника, а на фіг. 4 - колонковий снаряд при підйомі зі свердловини. До складу колонкового снаряда входить колонкова труба 1 з башмаком 2 і кернорвачем 3 та гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами 4 і 5 та з кожухом 6 і корпусом 7, 2 UA 103415 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 встановленими між перехідником 8 з розподільною камерою 9 та ковадлом 10. В ковадлі 10 встановлений зворотний клапан 11 і виконаний канал 12 для з'єднання зазору між кожухом 6 і корпусом 7 гідроударника з порожниною колонкової труби 1. Шток 13 встановлений у розподільній камері 9 з можливістю обмеженого повздовжнього переміщення і передачі осьового навантаження на гідроударник за рахунок контакту з її нижньою поверхнею. Золотникова втулка 14 з осьовим каналом 15 і сідлом 16 для пускового клапана 17 розміщена в порожнині штока 13 і зафіксована штифтами 18. Порожнина штока 13 нижче золотникової втулки 14 з'єднана з розподільною камерою 9 радіальними отворами 19. Розподільна камера 9 перехідника 8 зв'язана каналом 20 з нагнітальною порожниною 4 гідроударника і через дросельну втулку 21 - з зовнішнім простором. В перехіднику 8 виконаний канал 22, зв'язаний з зазором між кожухом 6 і корпусом 7, який перекритий штоком 13. Випускна порожнина 5 гідроударника з'єднана каналом 23 з зовнішнім простором, а на нижній внутрішній поверхні штока 13 виконано посадочне місце 24 під золотникову втулку 14. Колонковий снаряд працює таким чином. Він спускається в свердловину на бурильних трубах (не показані), з'єднаних зі штоком 13. При цьому пусковий клапан 17 у ньому відсутній. Золотникова втулка 14 зафіксована штифтами 18 в порожнині штока 13, який займає крайнє верхнє положення в розподільній камері 9 перехідника 8, за рахунок чого отвори 19 з'єднаються з каналом 22. Відбір проби з необхідного інтервалу свердловини здійснюється у такій послідовності. Спочатку здійснюється попереднє буріння без відбору проби. Снаряд підтримують над вибоєм свердловини. Від джерела тиску у колонковий снаряд подається рідина. Вона проходить на вибій свердловини (фіг. 2) через порожнину штока 13 над золотниковою втулкою 14, осьовий канал 15 в ній, порожнину під золотниковою втулкою 14, отвори 19, канал 22, зазор між кожухом 6 і корпусом 7, канал 12 в ковадлі 10, порожнину колонкової труби 1, кернорвач 3 і башмак 2. При цьому порода на вибої розмивається, що забезпечує заглиблення колонкового снаряда у ґрунт без відбору проби. Незначна частина рідини скидається з колонкової труби 1 через зворотний клапан 11 в ковадлі 10 у свердловину мимо вибою. Гідроударник при цьому заблокований, оскільки доступ рідини в розподільну камеру 9 перекритий штоком 13. Якщо зустрічаються міцні глинисті ґрунти, то колонковий снаряд ставлять на вибій свердловини (фіг. 3). Шток 13 займає нижнє положення, спираючись на перехідник 8, і перекриває канал 22. Рідина зі штока 13 через отвори 19 подається в розподільну камеру 9, звідки одна частина потоку по каналу 20 йде до нагнітальної порожнини 4 гідроударника, а друга частина - через дросельну втулку 21 - в свердловину. Ці потоки розділяються в залежності від поперечних розмірів отвору дросельної втулки 21, які визначають гідравлічний опір між розподільною камерою 9 і навколишнім середовищем. Тому в колонковий снаряд подається така ж кількість рідини, як і при бурінні свердловини розмивом без відбору проби. Гідроударник запускається в роботу. Відпрацьована в ньому рідина скидається в свердловину через випускну порожнину 5 і канал 23. Потоки рідини, які виходять з каналу 23 і дросельної втулки 21 складаються над колонковим снарядом, що забезпечує постійну швидкість течії рідини в свердловині над колонковим снарядом при різних режимах його роботи для запобігання за шламування свердловини і ліквідації загрози прихвату. Під дією ударів і осьового навантаження, яке передається від бурильних труб через шток 13, колонковий снаряд заглиблюється в ґрунт башмаком 2. Після цього колонковий снаряд підіймають над вибоєм, і він повертається в стан, показаний на фіг. 2. Гідроударник виключається. Рідина надходить на вибій свердловини і розмиває його більш інтенсивно, оскільки порода на вибої ослаблена попереднім механічним розпушенням. Далі цикл руйнування вибою повторюється. Таким чином буріння без відбору проби проводиться за рахунок розмиву порід вибою і їх додаткового механічного розпушення при періодичних постановках снаряда на вибій свердловини, що підвищує механічну швидкість буріння, особливо в міцних глинистих ґрунтах. Для відбору проби колонковий снаряд знову ставлять на вибій свердловини (фіг. 3). Шток 13 займає нижнє положення, спираючись на перехідник 8, і перекриває канал 22. Рідина зі штока 13 через отвори 19 подається в розподільну камеру 9, звідки одна частина потоку по каналу 20 йде до нагнітальної порожнини 4 гідроударника, а друга частина - через дросельну втулку 21 - в свердловину. Гідроударник запускається в роботу. Відпрацьована в ньому рідина скидається в свердловину через випускну порожнину 5 і канал 23. Під дією ударів і осьового навантаження, яке передається від бурильних труб через шток 13, колонковий снаряд заглиблюється в ґрунт башмаком 2, і проба надходить у колонкову трубу 1, віджимаючи в сторони пелюстки кернорвача 3. В процесі буріння рідина з порожнині колонкової труби 1 надходить в свердловину через зворотний клапан 11. 3 UA 103415 C2 5 10 15 20 25 30 Після закінчення рейсу в бурильні труби скидається пусковий клапан 17. Після посадки пускового клапана 17 в сідло 16 потік рідини через золотникову втулку 14 переривається, тиск над нею зростає, і штифти 18 зрізуються. Золотникова втулка 14 рухається вниз і сідає на посадочне місце 24 на нижній внутрішній поверхні штока 13 (фіг. 4). При цьому осьовий канал перекривається як клапаном 17, так і посадочним місцем 24, що гарантовано блокує колонковий снаряд від порожнини бурильних труб і запобігає перетіканню рідини в колонкову трубу 1 при підйомі. Далі колонковий снаряд підіймають на поверхню, видаляють з колонкової труби пробу ґрунту, повертають в початкове положення золотникову втулку 14, штифти 18 і пусковий клапан 17. Далі цикл роботи колонкового снаряда повторюється. Використання запропонованого винаходу дозволяє досягти підвищення швидкості буріння свердловини без відбору проби, особливо при бурінні в міцних глинистих ґрунтах за рахунок забезпечення чергування механічного розпушення вибою свердловини гідроударником і розмиву потоком рідини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Колонковий снаряд, що містить золотникову втулку з осьовим каналом і сідлом під пусковий клапан, колонкову трубу та гідроударник з нагнітальною і випускною порожнинами, а також з кожухом і корпусом, встановленими між перехідником з розподільною камерою і ковадлом гідроударника, в якому виконаний канал для зв'язку зазору між кожухом і корпусом з порожниною колонкової труби, приєднаної до ковадла, випускна порожнина гідроударника з'єднана каналом з зовнішнім простором, розподільна камера перехідника зв'язана каналами з нагнітальною порожниною гідроударника і через дросельну втулку з зовнішнім простором, в перехіднику виконаний канал, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом, який відрізняється тим, що золотникова втулка розміщена в порожнині штока, який встановлений в розподільній камері з можливістю обмеженого повздовжнього переміщення і контакту з її верхньою і нижньою поверхнями, зв'язаний з зазором між кожухом і корпусом канал в перехіднику перекритий штоком, порожнина штока вище золотникової втулки з'єднана з джерелом тиску, а порожнина нижче золотникової втулки з'єднана з розподільною камерою радіальними отворами у штоку, які виконані з можливістю з'єднання зі зв'язаним з зазором між кожухом і корпусом каналом в перехіднику для одночасного їх відділення від розподільної камери, а золотникова втулка виконана з можливістю перекриття свого осьового каналу нижньою внутрішньою поверхнею штока. 4 UA 103415 C2 5 UA 103415 C2 6 UA 103415 C2 7 UA 103415 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8