Буровой снаряд

 

Изобретение относится к области горного дела и предназначено для использования в снарядах для бурения с отбором керна геологоразведочных скважин с заменой буровой коронки без подъема труб преимущественно в снарядах со съемным керноприемником. Все механизмы снаряда выполнены в виде единого автоматизированного манипулятора, в котором система подвески и разворота коронки, а также переключения режимов в рабочетранспортное положение состоит из сквозных круглых отверстий на боковых поверхностях коронки, расположенных концентрично ее цапфам, последние установлены с возможностью взаимодействия с опорами запорной гильзы, а отверстия - с подпружиненными пальцами - фиксаторами на головке транспортера, посередине которой выполнен сквозной паз с возможностью прохода через него нижней части стержня-бойка, выполненной с уширением в виде пластины с боковой кромкой кулачкового профиля и с возможностью размещения и поворота в полости буровой коронки. Стержень-боек выполнен с возможностью ограниченного углового перемещения посредством плоской пружины, а соединенный с ним ползун подпружинен относительно корпуса транспортера также посредством плоской пружины. Головка транспортера снабжена расположенными по обеим сторонам от упомянутого паза упорными выступами под верхний торец коронки и направляющими зубьями под пазы втулки переключения, размещенные в ее верхней части. В нижней части втулки выполнены прорези под уширение стержня-бойка. Упрощается конструкция снаряда, повышаются его надежность и производительность. 16 ил.

Изобретение относится к области технических средств для геологоразведочного бурения с отбором керна с заменой буровой коронки без подъема труб, а более конкретно, к буровым снарядам со съемным керноприемником системы ССК.

Известен буровой снаряд (патент США N 4281722), который содержит съемную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, наружную трубу, соединенный с ней ведущий башмак с установочным пазом и запорной гильзой вращательного действия, ориентирующее устройство и устройство транспортирования, выполненное в виде двух транспортеров: один - для извлечения коронки, другой - для постановки ее на забой. Каждый из этих транспортеров снабжен механизмом перевода коронки в рабочее или транспортное положение, состоящим из головки транспортера, включающей поплавок, плунжер и шарики для соединения с внутренней поверхностью коронки, а также двух приводных рычагов для подвески механизма перевода коронки к корпусу транспортера. Корпус каждого транспортера снабжен винтовым валом и приводом механизма, состоящего из кулачковой трубы, поворотного стержня и запорного диска. Транспортеры отличаются друг от друга направлением винтовых линий на винтовых валах.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В процессе бурения коронка соединена с наружной трубой. Крепление коронки к ведущему башмаку наружной трубы производится за счет вращательного движения запорной гильзы, шпонки которой входят в зацепление с пазами коронки путем взаимодействия подпружиненных штырей, расположенных на гильзе, и движущегося поступательно винтового вала, расположенного в корпусе транспортера. По мере наполнения керном керноприемную трубу извлекают из бурильной колонны, а в последнюю опускают устройство транспортирования и извлечения коронки, которое ориентируют и фиксируют так, чтобы головка механизма перевода в рабочее или транспортное положение вошла в полость коронки, а шарики механизма оказались напротив присоединительных пазов внутренней поверхности коронки. Под воздействием нагнетаемой жидкости устройство транспортирования продавливают в скважину с поворотом в сторону, обратную направлению бурения. При этом шпонки, соединяющие наружную трубу с коронкой, расклиниваются, и коронка отсоединяется от наружной трубы, в каналы механизма перевода коронки промывочной жидкостью подаются шарики с частичным заходом в сферические пазы коронки. Таким образом коронка и устройство ее транспортирования оказываются сочлененными. Отсоединенную от наружной трубы коронку и транспортер продавливают на некоторое расстояние вниз (для создания зазора между коронкой и нижним торцом башмака наружной трубы) в направлении забоя, где механизм перевода коронки в рабочетранспортное положение разворачивает ее на угол 90^o в транспортное положение. Все описанные операции производятся путем взаимодействия между собой винтового вала, кулачковой муфты, поворотного стержня, запорной гильзы, подпружиненных штырей, поплавка с плунжером и приводных рычагов.

Спуск коронки производится при помощи второго транспортера, работающего на спуск при взаимодействии упомянутых выше элементов транспортера.

Извлечение и спуск коронки в скважину осуществляется, таким образом, отдельно от керноприемной трубы при помощи специальных транспортных средств. Такое выполнение устройства транспортирования коронки обеспечивает сохранение диаметров керноприемной трубы и керна.

Однако наличие двух транспортеров, их конструктивная сложность (большое количество составных деталей и их элементов - около 600 шт.) - приводит к увеличению сложности изготовления, сборки, отладки и, как следствие, к повышению стоимости изготовления и эксплуатации всего снаряда.

Известен буровой снаряд по а.с. SU N 1049653A, E 21 B 10/64, 23.10.83, содержащий напорную трубу с выступами на нижнем торце, внутреннюю трубу, коронку с промывочными и фигурными лысками на наружной боковой поверхности для взаимодействия с боковыми гранями торцевых выступов наружной трубы и узел крепления коронки, включающий направляющую с лапами, связанными с коронкой при помощи осей, перпендикулярных к продольной оси снаряда, при этом направляющая жестко связана с лапами и выполнена в виде втулки с опорным буртом и размещена между наружной и внутренней трубами, последняя из которых выполнена с кольцевой проточкой на наружной поверхности под опорный бурт втулки, а коронка выполнена со смещенным относительно оси ее поворота центром тяжести.

Недостатком известного снаряда являются необходимость подъема коронки при каждом заполнении керноприемной трубы, возможность ее подклинки фрагментами керна при повороте и взаимодействии с наружной трубой, снижающие производительность и надежность снаряда, уменьшение диаметра керна, связанное с установкой направляющей для крепления коронки между наружной и внутренней его трубами.

Указанный снаряд выбран в качестве прототипа.

Сущность изобретения состоит в том, что буровой снаряда, включающий съемный керноприемник, поворотную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, цапфами на них и сквозными отверстиями; наружную трубу с присоединенным к ней ведущим башмаком с установочным пазом под коронку; запорную гильзу с опорными под цапфы коронки пазами и ориентирующий узел, размещенные внутри наружной трубы, снабжен транспортером с головкой, выполненной с подпружиненными пальцами под боковые отверстия коронки и с вертикальным пазом посредине; с внутренней полостью в корпусе и с подпружиненным ползуном в ней, несущим стержень - боек, проходящий в пазу головки; с надетой на корпус втулкой переключения с фиксаторами, а также систему выступов, углублений и прорезей на упомянутых и рубчатых элементах с образованием за счет их взаимодействия механизмов манипулирования коронкой, коронка выполнена с круглыми отверстиями концентрично ее цапфам, а упомянутые механизмы выполнены в виде единого автоматизированного манипулятора с рабочим органом и приводом к нему.

При этом рабочий орган выполнен в виде подпружиненных пальцев головки, двух нижних упоров - выступов под верхний торец коронки по обе стороны паза головки, и стержня-бойка с уширением внизу в форме кулачка под внутреннюю полость коронки. Паз в головке транспортера выполнен сквозным через всю головку, привод рабочего органа выполнен в виде телескопического узла, в котором ползун снабжен выступами в нижней части, в запорной гильзе в верхней части вырезаны полосы-пружины с наружными приливами, наружная труба выполнена с углублениями вверху и внизу скошенными к оси снаряда под приливы, корпус снабжен подпружиненным фиксатором к втулке переключения, смещенным относительно приливов, и снабжен направленными вниз перекрывающими шпонками, а также плоской пружиной к стержню-бойку. Втулка переключения выполнена с открытыми сверху пазами под верхнюю часть рабочего органа. Башмак выполнен с упорными выступами под нижний торец втулки переключения и под выступы ползуна.

На фиг. 1 показан общий вид наружной трубы.

На фиг. 2 - верхняя часть этой трубы. Наружная труба присоединена к бурильной колонне ССК и имеет ведущий башмак, запорную гильзу, ориентирующую обойму и стандартный расширитель.

На фиг. 3 изображено устройство транспортирования (его нижняя часть).

На фиг. 4 - верхняя часть этого устройства. Устройство показано со съемной коронкой (в положении постановки коронки на забой) с механизмом подвески и разворота коронки.

На фиг. 5 - 9 иллюстрируются этапы работы устройства транспортирования по постановке коронки в рабочее положение от момента движения транспортера с коронкой по трубам вниз (фиг. 5) и ее установки в запорной гильзе (фиг. 6) до разворота в рабочее положение (фиг. 7 и 8) и движение порожнего транспортера на поверхность (фиг. 9).

На фиг. 10 - 14 иллюстрируются этапы работы устройства транспортирования по извлечению коронки на поверхность от момента движения транспортера в трубах (фиг. 10) и присоединения к коронке (фиг. 11) до ее разворота в транспортное положение.

На фиг. 15 и 16 представлены боковые проекции втулки переключения транспортера коронки при ее спуске и подъеме соответственно.

Предлагаемый снаряд включает коронку 1 с плоскими боковыми стенками 2, снабженными цапфами 3 с центральными сквозными круглыми отверстиями 4 (фиг. 3); ведущий башмак 5 с алмазными штабиками 6 по наружной поверхности, с внутренними опорными приливами 7 и нижними приливами 8 для передачи вращения на коронку 1 (фиг. 1), наружную трубу 9 с проточкой 10, образующей выступ 11, и выступом 12 (фиг. 2).

Внутри наружной трубы расположены запорная гильза 13 с опорными пазами 14, выполненными с полукруглыми нижними кромками 15 под цапфы 3 коронки 1, с плоскими пружинами 16, снабженными приливами 17, и симметричными приливами 18; ориентирующая обойма 19 (фиг. 2) с двумя симметричными винтовыми прорезями 20, вертикальными прорезями 21 (фиг. 5) и заплечиком 22 для подвески в наружной трубе (фиг. 2).

Снаряд также включает транспортер, содержащий корпус 23 (фиг. 3 и 4) с двумя симметричными вырезами 24, с внутренней полостью (не показана позицией), с шаровой головкой 25, выполненной с диаметральным сквозным пазом (не показан позицией). Головка снабжена подпружиненными фиксаторами 26 (фиг. 7 и 9).

Транспортер содержит также пружину 27, ползун 28 и стержень-боек 29, соединенный с ползуном 28 упруго-подвижно посредством плоской пружины 30 (показана пунктиром) с ограниченным угловым отклонением (фиг. 7, 8 и 11). Нижняя часть стержня-бойка 29 выполнена в виде уширения с кромкой 31 в форме кулачковой поверхности.

Далее транспортер содержит втулку 32 переключения, надетую на корпус 23 транспортера, и подпружиненный фиксатор 33 в корпусе 23 транспортера (фиг. 3, 6 и др.).

Узел ориентации включает два подпружиненных и симметрично расположенных в корпусе 23 ориентирующих фиксатора 34 с овальными и угловыми срезами 35 (фиг. 4 и 5), с углами, равными углу наклона винтовых прорезей ориентирующей обоймы 19 и захватной (под овершот) грибок 36.

Наклонная кулачковая поверхность кромки 31 стержня-бойка 29 начинается с самой верхней точки (фиг. 7).

Корпус 23 транспортера имеет заплечик в виде выступа-упора 38 (фиг. 8) под торцевую верхнюю поверхность коронки 1 и два направляющих зуба 39.

Втулка 32 переключения с нижними торцами 40 выполнена с прорезями 41 внизу под уширение стержня-бойка 29 и пазами 42 вверху под направляющие зубья. При этом ширина приливов 17 на плоских пружинах 16, на одной линии с которыми расположены пазы 42 и зубья 39, превышает ширину этих пазов 42 и зубьев 39.

Сборку предлагаемого снаряда и съемной коронки на буровой производят следующим образом.

1. От расширителя на наружной трубе стандартного колонкового набора системы ССК, поднятого на поверхность, отвинчивают буровую коронку, а от керноприемной трубы - корпус кернорвателя с кернорвательным кольцом.

2. Керноприемную трубу наращивают специальным патрубком, который входит в комплекс набора. Это необходимо для компенсации разности длин стандартного и модернизированного снаряда. Затем к патрубку привинчивают кернорватель, снятый с колонкового набора, поднятого на поверхность.

3. К стандартным расширителю и наружной трубе вместо отвинченной коронки ССК привинчивают наружную трубу 9 с входящими в нее элементами, производят регулировку собранной керноприемной трубы по длине.

4. Собранный и отрегулированный снаряд (его неизвлекаемая часть с бурильной колонной) опускают в скважину.

5. Производят промывку скважину и в бурильную колонну забрасывают транспортер со съемной коронкой.

6. Из бурильной колонны извлекают (без коронки) транспортер и туда забрасывают съемный керноприемник; к колонне подсоединяют рабочую трубу, включают буровой насос и производят рабочие циклы бурения.

7. Производят подъем отработанной съемной коронки на поверхность.

Подъем отработанной коронки 1 производится при помощи транспортера, на корпусе 23 которого втулка 32 переключения установлена в нижнее положение (фиг. 10). Затем транспортер, удерживаемый над устьем скважины, забрасывают в бурильную колонну, к которой присоединяют рабочую трубу, и включают буровой насос. Под воздействием собственной массы и давления промывочной жидкости транспортер движется вниз до встречи подпружиненных ориентирующих фиксаторов 34 с ориентирующей обоймой 19 и их вхождения ("выщелкивания") в винтовые прорези 20 (фиг. 2 и 5). Скользя вниз по наклонным поверхностям прорезей, фиксаторы 34 поворачивают транспортер до тех пор, пока он не войдет в вертикальные прорези 21 ориентирующей обоймы 19 (фиг 5). После этого транспортер продолжает некоторое вертикальное перемещение вниз до упора подпружиненного фигурного стержня-бойка 29 в коронку 1 (фиг. 11). Но ввиду того, что запорная гильза 13, на которой подвешена коронка, еще не может переместиться вниз, так как заблокирована приливами 17, расположенными на пружинах пластинах 16, стержень-боек 29, упираясь в коронку, начинает перемещаться вверх и через ползун 28 сжимает пружину 27 (фиг. 10. 11) под воздействием массы транспортера. Одновременно транспортер, продолжая движение вниз, входит своей шаровой головкой 25 во внутреннюю полость коронки 1 до захода подпружиненных фиксаторов 26 в отверстия 4 (фиг. 3). В этот момент корпус 23 транспортера своими вырезами 24 встает напротив приливов 17 на пружинных пластинах 16 и деблокирует запорную гильзу 13, которая имеет теперь возможность освободиться от соединения с наружной трубой 9 (фиг. 11) путем захода приливов 17 в вырез 24 на корпусе транспортера.

Дальнейшее движение транспортера происходит до упора втулки 32 переключения в опорные приливы 7 ведущего башмака 5, вызывая оттеснение коронки 1 от ведущего башмака 5 и создание необходимого зазора для поворота коронки (фиг. 12).

Имея зазор и сцепление с подпружиненными фиксаторами 26, коронка 1 под воздействием фигурного стержня-бойка 29, опирающегося в ее торец и упруго передвигающегося вниз, благодаря работе сжатой пружины 27 (фиг. 12) разворачивается на 90^o и встает в транспортное положение (фиг. 3) и вместе с транспортером, захваченным овершотом, на тросе поднимается на ее поверхность (фиг. 14), после чего происходит отделение и замена коронки.

Спуск новой коронки производят после переключения втулки 32 транспортера на режим спуска, т.е. ее необходимо установить в вернее положение (фиг. 5 и 6).

После установки коронки 1 в положение, указанное на фиг. 3, транспортер, удерживаемый над устьем скважины, забрасывают в бурильную колонну, к которой присоединяют рабочую трубу и включают буровой насос. Под воздействием собственной массы и давления промывочной жидкости транспортер движется вниз до встречи подпружиненных ориентирующих фиксаторов 34 с ориентирующей обоймой 19 и их вхождения в винтовые прорези 20. Скользя по наклонным поверхностям прорезей площадками угловых срезов 35, фиксаторы 34 поворачивают транспортер в азимутальном направлении до тех пор, пока они не войдут в вертикальную прорезь 21 (фиг. 5) ориентирующей обоймы 19.

После этого коронка 1 вместе с транспортером продолжает некоторое уже вертикально направленное перемещение вниз (фиг. 5) до посадки сферических приливов 3 коронки 1 в седла 15 пазов 14 запорной гильзы 13 (фиг. 5). В этот момент корпус транспортера своими вырезами 24 встает напротив приливов 17 и освобождает запорную гильзу 13, которая с этого момента может освободиться от соединения с наружной трубой 9 путем захода приливов 17 в вырезы 24 на корпусе транспортера (фиг. 6). Дальнейшее свободное движение транспортера происходит до упора ползуна 28 в опорные приливы 7 на внутренней поверхности ведущего башмака 5. После этого происходит упругое благодаря сжатию пружины 27 перемещение корпуса 23 транспортера до упора верхней части внутренней полости коронки 1 в верхнюю точку 37 наклонной поверхности 31 кулачка стержня-бойка 29 (фиг. 7). Дальнейшее движение корпуса транспортера вызывает благодаря наклонной поверхности 31 поступательно-вращательное движение коронки 1 вниз и занятие ею горизонтального положения с упором ее левого нерабочего торца в упоры-выступы 38 нижней части корпуса 23 транспортера. При этом ограничение движения корпуса 23 транспортера вниз происходит за счет упора нижних торцов 40 втулки 32 переключения в приливы 7 ведущего башмака 5 (фиг. 8). При развороте коронки 1 в горизонтальное положение подвижно-подпружиненный стержень-боек 29 освобождается от воздействия на нее коронки 1 и с помощью пружины 30 подается вправо, совершив ограниченное угловое отклонение, и фиксирует торцевой кромкой кулачка 31 коронку 1 от возможности обратного разворота при ее движении вверх до сочления (соединения) с ведущим башмаком 5 при постановке в рабочее положение (фиг. 8).

Ограниченное угловое отклонение фигурного стержня-бойка 29 становится возможным благодаря пружине 30 не только потому, что на стержень перестает действовать коронка 1, но и потому, что верхняя часть уширения стержня в виде пластины оказывается расположенной напротив прорезей 41 втулки переключения 32 (фиг. 8). Угловое отклонение пластины не происходит при подъеме отработанной коронки 1 на поверхность, так как в этом случае верхняя часть фигурной пластины не находится напротив прорезей 41 и заблокирована втулкой переключения 32 (фиг. 11, 12). Если спуск транспортера происходит не на овершоте, то в бурильную колонну сбрасывают овершот (не показан), и транспортер за счет натяжения троса поднимается вверх, подтягивает коронку 1 и соединяет ее с ведущим башмаком 5. Одновременно с этим происходит движение вверх и запорной гильзы 13 с ее пружинными пластинами 16, приливы 17 которых благодаря силам упругости занимают свое первоначальное положение на выступе 11 наружной трубы 9 и фиксируют коронку в неподвижном рабочем положении. Дальнейшее натяжение троса приводит к отрыву подпружиненных фиксаторов 26 от зацепления с коронкой, после чего транспортер поднимают на поверхность (фиг. 9), а в бурильную колонну забрасывают стандартный керноприемник типа ССК (не показан), которым при постановке в рабочее положение производят фиксацию приливов 17 запорной гильзы 13 в наружной трубе 9, а следовательно, и коронки 1 от вертикальных перемещений в процессе бурения После этого производят рабочий цикл бурения до заполнения керноприемной трубы керном, затем - срыв керна при помощи кернорвателя, расположенного в керноприемнике, путем приподъема бурильной колонны, упора керноприемника в приливы 7 ведущего башмака 5 и подъема керноприемника на поверхность.

Формула изобретения

Буровой снаряд, включающий съемный керноприемник, поворотную цельнокорпусную коронку с плоскими боковыми поверхностями, цапфами на них и сквозными отверстиями, наружную трубу с присоединенным к ней ведущим башмаком с установочным пазом под коронку, запорную гильзу с опорными под цапфы коронки пазами и ориентирующий узел, размещенные внутри наружной трубы, отличающийся тем, что снаряд содержит транспортер с головкой, выполненной с подпружиненными пальцами под боковые отверстия коронки и с вертикальным пазом посередине, с внутренной полостью в корпусе и с подпружиненным ползуном в ней, несущим стержень-боек, проходящий в пазу головки, с надетой на корпус втулкой переключения с фиксаторами, а также систему выступов, углублений и прорезей на упомянутых трубчатых элементах с образованием за счет их взаимодействия механизмов манипулирования коронкой в виде единого автоматизированного манипулятора с рабочим органом и приводом к нему, при этой рабочий орган выполнен в виде подпружиненных пальцев головки, двух нижних упоров-выступов под верхний торец коронки по обе стороны паза головки и стержня-бойка с уширением внизу в форме пластины с боковой кромкой с контуром кулачка под внутреннюю полость коронки, паз в головке транспортера выполнен сквозным, а привод рабочего органа - в виде телескопического узла, в котором ползун снабжен выступами в нижней части, в запорной гильзе в верхней части вырезаны полосы-пружины с наружными приливами, наружная труба выполнена с углублениями под приливы, скошенными вверху и внизу к оси снаряда, корпус снабжен подпружиненным фиксатором к втулке переключения, смещенным относительно приливов, двумя направляющими зубьями соосно приливам шириной, меньшей ширины приливов, и плоской пружиной к стержню-бойку, втулка переключения выполнена с двумя верхними пазами под зубья и с нижними пазами под рабочий орган, а башмак выполнен с упорными выступами под нижний торец втулки переключения и под выступы ползуна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16