Буровой гидрораскрепляемый снаряд
Использование: забивное бурение на акваториях с совмещением процессов отбора керна и крепления скважин обсадными трубами. Сущность: к элементу герметизации керноприемника прикладывается сила, постоянно удерживающая элемент герметизации в его крайнем нижнем положении, для чего в буровом снаряде между подвижной герметизирующей втулкой и грибком под ловитель керноприемника на корпус эжекторного насоса одета винтовая цилиндрическая пружина с начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между герметизирующей втулкой и корпусом эжекторного насоса. Технический результат: повышение надежности фиксации керноприемника в обсадной колонне труб.
Техническое решение относится к области горного дела, а именно к устройствам забивного бурения на акваториях в рыхлых породах с совмещением процессов отбора керна и крепления скважин обсадными трубами.
Известен буровой снаряд [З], содержащий керноприемник с обратным клапаном, направляющий цилиндр с установленным в него подвижным грузом, подвешенным на тяговом канате, наковальню, соединенную с верхним концом керноприсмника, и механизм закрепления снаряда в кольцевой проточке обсадной колонны, жестко связанный с подвижным грузом и включающий две защелки, размещенные на оси и постоянно распираемые пружиной.
Однако устройство [3] недостаточно надежно вследствие возможного деформирования механизма закрепления снаряда в кольцевой проточке обсадной колонны. Кроме того, их недостатком является необходимость добивания бурового снаряда.
Известен буровой снаряд [1, 2], принятый за прототип устройства и содержащий обсадную колонну труб, съемный керноприемник с обратным клапаном, нагнетальный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд, эжекторный насос, грибок под ловитель съемного керноприемника и узел герметизации, включающий жестко смонтированный в колонне кольцевой конический выступ и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса.
Недостаток прототипа заключается в нестабильной работе узла фиксации бурового снаряда в обсадной колонне. В известном буровом снаряде [1, 2] перед его спуском в колонну труб подвижная герметизирующая втулка, перемещающаяся по наружной поверхности корпуса эжектора, устанавливается в ее крайнее нижнее положение, исходя из того, что она еще до касания башмаком керноприемника забоя скважины упрется в кольцевой конический выступ колонны, а при создании в колонне давления воды керноприемник сместится относительно втулки вниз, внедряясь в породы. Однако втулка при малой плотности посадки ее на корпусе эжектора в процессе спуска керноприемника в колонну под действием гидравлического сопротивления воды, находящейся в колонне, может сместиться вверх, вплоть до ее упора в бурт грибка под ловитель. В этом случае после постановки керноприемника на забой скважины кольцевой зазор между керноприемником и колонной не загерметизирован, в колонне не удается создать необходимого давления воды и при нанесении ударов забивным снарядом по колонне труб керноприемник не внедряется в породы.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого бурового снаряда для бурения на акваториях, который бы стабильно обеспечивал надежную фиксацию керноприемника в обсадной колонне труб при их совместном погружении ударами в породы любой плотности и при любых рациональных длинах рейса.
Технический результат - повышение эффективности забивного бурения на акваториях за счет обеспечения надежной и безаварийной фиксации керноприемника в обсадной колонне труб, а также повышение качества и длины рейса бурения за счет уменьшения сопротивления пород продвижению в них керноприемника по его лобовой и боковым поверхностям.
Технический результат достигается следующим образом.
Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях включает обсадную колонну труб с башмаком, жестко соединенный с колонной и выступающий во внутрь нее кольцевой конический выступ, нагнетательный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд и съемный керноприемник, содержащий керноприемный стакан, башмак с кернодержателем, эжекторный насос, грибок под ловитель керноприемника и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса.
Отличительной особенностью бурового снаряда является то, что между подвижной герметизирующей втулкой и грибком под ловитель керноприемника на корпус эжекторного насоса одета винтовая цилиндрическая пружина с начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между герметизирующей втулкой и корпусом эжекторного насоса.
Кроме того, буровой гидрораскрепляемый снаряд отличается тем, что в башмаке съемного керноприемника со стороны его нижней торцевой поверхности в радиальном направлении выполнены промывочное каналы.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид бурового снаряда для забивного бурения на акваториях при спуске керноприемника в обсадной колонне труб до забоя скважины; на фиг.2 - то же при наличии давления воды в обсадной колонне труб и совместном погружении колонны и керноприемника в породы (стрелками показано направление движения нагнетаемой в обсадную колонну труб воды).
Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях содержит колонну обсадных труб 1 с внутренним кольцевым коническим выступом 2. На нижнем конце колонны труб 1 закреплен выступающий во внутрь колонны породоразрушающий башмак 3, а на верхнем - нагнетательный
переходник 4, соединяемый при помощи шланга 5 с нагнетательной линией бурового насоса (не показан). Обсадная колонна труб 1 снабжена наковальней 6 под забивной снаряд 7, установленный на колонне 1 с возможностью перемещения по ней посредством троса 8 лебедкой, установленной на буровом плавсредстве (не показаны). В интервале между кольцевым выступом 2 и породоразрушающим башмаком 3 в трубе обсадной колонны 1 выполнены выходные отверстия 9, расположенные на одном уровне. Внутри колонны труб 1 установлен съемный керноприемник, состоящий из керноприемного стакана 10 и эжекторного насоса. На нижнем конце керноприемного стакана 10 установлен башмак 11 с кернодержателем. В башмаке 11 со стороны его нижней торцевой поверхности в радиальном направлении выполнены промывочные каналы 12. Верхний конец керноприемного стакана 10 жестко соединен с нижним концом корпуса 13 эжекторного насоса при помощи переходника 14, в котором смонтированы диффузор 15 эжекторного насоса, канал 16 выхода воды из него и обратный клапан 17. В корпусе 13 эжекторного насоса образована камера смешения 18 и над ней установлены насадок 19 и шайбы 20, при помощи которых регулируют величину расстояния между диффузором 15 и насадком 19 эжекторного насоса. С верхним концом корпуса 13 эжекторного насоса жестко соединен грибок 21 и в нем выполнены каналы 22 для поступления воды в эжекторный насос. Грибок 21 своим нижним концом фиксирует положение насадка 19 и регулировочных шайб 20 эжекторного насоса и служит для извлечения съемного керноприемника из скважины при помощи ловителя (не показан). На внешней поверхности корпуса 13 эжекторного насоса установлена с возможностью принудительного по нему перемещения подвижная коническая втулка 23. Между втулкой 23 и грибком 21 на корпус 13 эжекторного насоса установлена винтовая цилиндрическая пружина 24, характеризующаяся начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между втулкой 23 и корпусом 13.
Втулка 23 выполнена из эластичного материала и при взаимодействии с кольцевым выступом 2 выполняет функцию герметизатора кольцевого зазора между колонной труб 1 и корпусом 13 эжекторного насоса в процессе бурения.
Забивное бурение на акваториях с использованием предложенного устройства осуществляется следующим образом.
Обсадную колонну труб 1 опускают при помощи лебедки в проем бурового плавсредства. Поочередно наращивая трубы, колонну опускают до упора породоразрушающего башмака 3 в дно акватории. Далее съемный керноприемник в собранном виде сбрасывают в колонну труб 1, на верх колонны устанавливают нагнетательный переходник 4, соединенный шлангом 5 с буровым насосом, и в полость колонны нагнетают воду. Съемный керноприемник падает в колонне под действием собственной тяжести. Находящаяся впереди падающего керноприемника вода перетекает по кольцевому зазору между колонной труб 1 и втулкой 23, а также через канал 16, диффузор 15 и обратный клапан 17, далее через насадок 19 и каналы 22 грибка 21. Керноприемник по завершении падения в первую очередь упирается втулкой 23 в кольцевой выступ 2 колонны, так как под действием силы межвиткового давления пружины 24, превосходящей силу трения втулки 23 о корпус 13 эжекторного насоса, втулка 23 при падении керноприемника в колонне труб 1 всегда находится в ее крайнем нижнем положении. После достижения втулкой 23 кольцевого выступа 2 зазор между колонной труб 1 и корпусом эжекторного насоса перекрыт, и нагнетаемая в колонну труб 1 вода поступает только через каналы 22 в эжекторный насос съемного керноприемника, преодолевая соответствующие гидравлические сопротивления. Величина этих сопротивлений во многом зависит от сечения элементов эжекторного насоса и каналов 22 для прохода через них воды. Величины сечений этих элементов и каналов 22 определяют расчетным путем при проектировании и изготовлении съемного керноприемника с
учетом необходимой силы его прижатия к башмаку 3 колонны труб 1. Величина этой силы равна произведению давления воды в колонне над керноприемником на площадь поперечного сечения эжекторного насоса. Эта сила, сжимая пружину 24, перемещает съемный керноприемник относительно уже неподвижной втулки 23 вниз даже через возможно оставшуюся на башмаке 3 колонны труб 1 после предыдущего рейса часть породы до упора башмака 11 ксрноприемника в башмак 3 колонны и удерживает башмаки с такой силой прижатия друг к другу в процессе совместного погружения колонны труб 1 и съемного керноприемника в породы, т.е. в процессе бурения скважины. При этом прошедшая через каналы 22 вода поступает далее через насадок 19, диффузор 15 и канал 16 выхода воды из эжекторного насоса в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10.
В соответствии с принципом работы эжектора часть воды, нагнетаемой в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10, поступает вниз до упора в породоразрушающий башмак 3, засасывается через промывочные каналы 12 башмака 11 керноприемника в керноприемный стакан 10 и далее через обратный клапан 17 в камеру смешения 18 и из нее через диффузор 15 снова нагнетается в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10. Таким образом, осуществляется принудительный отсос воды из керноприемного стакана и обратная циркуляция ее в нем. Это улучшает условия поступления керна в керноприемный стакан, так как снижает давление или обеспечивает разрежение в полости стакана над керном, а также снижает коэффициент трения входящих в керноприемный стакан пород на контакте с его внутренними стенками.
Вторая же, большая часть воды, поступает из кольцевого зазора между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10 через отверстия 9 в трубе колонны в кольцевой зазор между колонной труб 1 и стенками
скважины, омывает наружную поверхность колонны труб 1 и изливается из кольцевого зазора на уровне дна акватории. Создание в заколонном пространстве потока нагнетаемой воды облегчает условия забивки колонны в породы, так как снижает коэффициент трения по ее боковой поверхности.
Продолжая нагнетание воды, колонну труб 1 погружают в породы на длину рейса бурения ударами по наковальне 6 забивным снарядом 7, поочередно поднимая и опуская его на тросе 8. Съемный керноприемник погружается при этом в породы одновременно с колонной труб 1. Обусловлено это перепадом давления воды над и под керноприемником, которое создает силу, необходимую для прижатия башмака 11 керноприемника к башмаку 3 колонны труб 1.
В моменты нанесения ударов забивным снарядом 7 по наковальне 6 из-за инерционности съемного керноприемника возможно мгновенное его отставание от породоразрушающего башмака 3 колонны труб 1. При этом колонна труб 1 перемещается вниз, а керноприемник зависает. Однако втулка 23 не отстает от перемещения колонны труб 1 и ее выступа 2, так как обладает малой инерционностью и прижата к выступу 2 силой, равной сумме сил: межвиткового давления сжатой пружины 24 и создаваемой перепадом давления воды над и под втулкой. Поэтому втулка 23 перемещается вниз вместе с колонной труб 1 и скользит при этом по поверхности корпуса 13 эжекторного насоса. Этим самым стабильно сохраняется надежная герметизация кольцевого зазора между стенками колонны труб 1 и корпусом 13 эжекторного насоса. При отставании съемного керноприемника от башмака 3 в полости колонны труб 1 над керноприемником резко повышается давление воды. Поэтому в промежутках времени между ударами забивным снарядом 7 по наковальне 6 съемный керноприемник при наличии обратной циркуляции воды перемещается вниз на величину забивки в породу колонны труб 1 до упора башмака 11 в башмак 3. При этом корпус 13
эжекторного насоса скользит относительно втулки 23 вниз. Поэтому в итоге съемный керноприемник не отстает от колонны труб 1.
При подъеме керноприемника из скважины сила межвиткового давления пружины 24 автоматически перемещает и удерживает втулку 23 в ее крайнем нижнем положении. Поэтому отпадает необходимость выполнения операций по перемещению подвижной втулки в ее крайнее нижнее положение перед каждым спуском керноприемника, т.е., по сравнению с прототипом, уменьшаются затраты времени и труда на перемещение втулки 23 во всех рейсах бурения.
Принудительное удержание элемента герметизации (подвижной втулки) в его крайнем нижнем положении при помощи силы межвиткового давления пружины исключает случаи нарушения герметизации кольцевого зазора между колонной труб и съемным керноприемником, имеющие место при использовании прототипа. Это исключает дополнительные потери времени на чистку забоя скважины, спуски и подъемы керноприемника, потери качества бурения из-за чистки забоя скважины. Обусловлено это тем, что исключение разгерметизации кольцевого зазора между колонной труб и керноприемником обеспечивает возможность поддержания повышенного давления воды в полости колонны над керноприемником и, тем самым, стабильность и надежность фиксации (удержания) башмака съемного керноприемника у башмака колонны.
Выполнение в башмаке съемного керноприемника промывочных каналов и ограничение его хода вниз башмаком обсадной колонны исключает случаи заклинивания керноприемника в колонне, улучшает условия поступления керна в керноприемный стакан, так как снижает давление или обеспечивает разрежение в полости стакана над керном, а также уменьшает коэффициент трения входящих в керноприемный стакан пород на контакте с его внутренними стенками.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорные основания / Под ред. С.С.Хворостовского. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентры, 2002. - 303 с. (прототип устройства: с.253 -256).
2. RU 1571212 A1,15.06.1990 (прототип).
3. RU 985249 A1, 30.12.1982 (аналог).
1. Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях, включающий обсадную колонну труб с башмаком, жестко соединенный с колонной и выступающий во внутрь нее кольцевой конический выступ, нагнетательный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд и съемный керноприемник, содержащий керноприемный стакан, башмак с кернодержателем, эжекторный насос, грибок под ловитель керноприемника и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса, отличающийся тем, что между подвижной герметизирующей втулкой и грибком под ловитель керноприемника на корпус эжекторного насоса одета винтовая цилиндрическая пружина с начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между герметизирующей втулкой и корпусом эжекторного насоса.
2. Буровой гидрораскрепляемый снаряд по п.1, отличающийся тем, что в башмаке съемного керноприемника со стороны его нижней торцевой поверхности в радиальном направлении выполнены промывочные каналы.
