гидроударный буровой снаряд

Формула изобретения

Гидроударный буровой снаряд, включающий колонковый набор, состоящий из наружной и внутренней колонковых труб с башмаком и кернорвателем, и гидроударник с входным каналом для соединения с источником давления и каналом для отвода жидкости, связанным с зазором между колонковыми трубами, соединенным со скважиной, отличающийся тем, что над гидроударником размещен распределительный переходник, в котором выполнена камера с отверстиями, соединенными с источником давления, входным каналом гидроударника и с зазором между колонковыми трубами, в которой с возможностью продольного перемещения установлен поршень с осевым каналом и седлом для пускового клапана, при этом отверстие камеры, соединенное с входным каналом гидроударника, выполнено с возможностью перекрытия боковой поверхностью поршня, в гидравлической линии между камерой и зазором между колонковыми трубами установлен блокировочный клапан, выполненный с возможностью одновременного разделения камеры и зазора между колонковыми трубами и соединения ее с пространством над кольцевым золотником, полость под которым связана с зазором между колонковыми трубами, причем полость внутренней колонковой трубы выполнена с возможностью соединения с гидравлической линией между камерой и зазором между колонковыми трубами выше блокировочного клапана при помощи отверстий и кольцевого золотника, а поршень выполнен с возможностью соединения отверстия камеры, связанного с входным каналом гидроударника, с источником давления и разъединения последнего и отверстия камеры, связанного с зазором между колонковыми трубами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к отрасли бурения скважин, а именно технических средств бурения подводных скважин на шельфе, и может быть применено для отбора проб грунтов в мягких нескальных донных отложениях.

Известен гидроударный буровой снаряд погружной буровой установки ПУВБ-150 (см. Шелковников И.Г., Лукошков А.В. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. - Л.: ЛГУ, 1979. - С.139-141, рис.72, г), включающий колонковый набор, состоящий из колонковой трубы с башмаком и кернорвателем, а также гидроударник с входным каналом для соединения с источником давления и каналом для отвода жидкости.

Устройство работает таким образом. При подаче жидкости от источника давления гидроударник наносит удары, под действием которых происходит заглубление башмака колонкового набора в грунт и отбор пробы. По окончании рейса пробоотборник извлекается из скважины судовой лебедкой. Проба грунта при этом удерживается в колонковом наборе кернорвателем.

Этот гидроударный буровой снаряд имеет следующий недостаток.

Глубина опробования толщи грунта этим снарядом определяется длиной колонкового набора. Таким образом, чем больше нужна глубина отбора пробы, тем больше должна быть длина колонкового набора.

Но, во-первых, при значительном увеличении длины колонкового набора очень сильно возрастают силы сопротивления заглублению снаряда. Это не только требует повышения приводной мощности гидроударника, но и приводит к наступлению "свайного эффекта", когда под действием сил трения проба уплотняется и не заходит в колонковый набор при заглублении снаряда, что значительно снижает качество опробования.

Во-вторых, при применении колонкового набора большой длины для извлечения бурового снаряда из скважины нужна судовая лебедка большой грузоподъемности для преодоления сил трения наружной поверхности бурового снаряда о грунт.

В-третьих, значительное повышение габаритов снаряда требует большой рабочей площадки на борту судна и значительных размеров грузоподъемной системы, которая бы была способна манипулировать с этим снарядом при спуске и подъеме. А это приводит к необходимости применять большие суда, что значительно повышает стоимость работ по отбору проб.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является гидроударный буровой снаряд (см. Применение погружных автономных установок для однорейсового бурения подводных скважин / Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Квашин Е.В. и др. // Обзор ВИЭМС. - М.: ВИЭМС, 1988. - с.31-33), включающий колонковый набор, состоящий из наружной и внутренней колонковых труб с башмаком и кернорвателем, гидроударник с входным каналом для соединения с источником давления и каналом для отвода жидкости, связанным с зазором между колонковыми трубами, соединенным со скважиной.

Устройство работает таким образом. При подаче жидкости от источника давления гидроударник наносит удары, под действием которых происходит заглубление башмака колонкового набора в грунт и отбор пробы. При этом жидкость, которая отводится из гидроударника, подается по зазору между колонковыми трубами в скважину и размывает ее стенки, что значительно снижает силы трения наружной поверхности бурового снаряда о грунт. По окончании рейса пробоотборник извлекается из скважины судовой лебедкой. Проба грунта при этом удерживается в колонковом наборе кернорвателем.

Этот гидроударный буровой снаряд имеет следующий недостаток.

Глубина опробования толщи грунта этим снарядом определяется длиной колонкового набора. Таким образом, чем больше нужна глубина отбора пробы, тем больше должна быть длина колонкового набора.

Но, во-первых, при значительном увеличении длины колонкового набора очень сильно возрастают силы сопротивления заглублению снаряда. Это не только требует повышения приводной мощности гидроударника, но и приводит к наступлению "свайного эффекта", когда под действием сил трения проба уплотняется и не заходит в колонковый набор при заглублении снаряда, что значительно снижает качество опробования.

Во-вторых, значительное повышение габаритов снаряда требует большой рабочей площадки на борту судна и значительных размеров грузоподъемной системы, которая бы была способна манипулировать с этим снарядом при спуске и подъеме. А это приводит к необходимости применять большие суда, что значительно повышает стоимость работ по отбору проб.

Признаки ближайшего аналога, которые совпадают с признаками заявляемого изобретения: колонковый набор, состоящий из наружной и внутренней колонковых труб с башмаком и кернорвателем, и гидроударник с входным каналом для соединения с источником давления и каналом для отвода жидкости, связанным с зазором между колонковыми трубами, соединенным со скважиной.

В изобретении поставлена задача усовершенствования гидроударного бурового снаряда, в котором за счет обеспечения возможности предварительного заглубления бурового снаряда в грунт без отбора пробы достигается повышение глубины опробования толщи грунта.

Поставленная задача решается тем, что в известном гидроударном буровом снаряде, включающем колонковый набор, состоящий из наружной и внутренней колонковых труб с башмаком и кернорвателем, и гидроударник с входным каналом для соединения с источником давления и каналом для отвода жидкости, связанным с зазором между колонковими трубами, соединенным со скважиной, согласно изобретению, над гидроударником размещен распределительный переходник, в котором выполнена камера с отверстиями, соединенными с источником давления, входным каналом гидроударника и с зазором между колонковыми трубами, в которой с возможностью продольного перемещения установлен поршень с осевым каналом и седлом для пускового клапана, при этом отверстие камеры, соединенное с входным каналом гидроударника, выполнено с возможностью перекрытия боковой поверхностью поршня, в гидравлической линии между камерой и зазором между колонковыми трубами установлен блокировочный клапан, выполненный с возможностью одновременного разделения камеры и зазора между колонковыми трубами и соединения ее с пространством над кольцевым золотником, полость под которым связана с зазором между колонковыми трубами, причем полость внутренней колонковой трубы выполнена с возможностью соединения с гидравлической линией между камерой и зазором между колонковыми трубами выше блокировочного клапана при помощи отверстий и кольцевого золотника, а поршень выполнен с возможностью соединения отверстия камеры, связанного с входным каналом гидроударника, с источником давления и разъединения последнего и отверстия камеры, связанного с зазором между колонковыми трубами.

Заявляемые признаки позволяют обеспечить подачу жидкости от источника давления на забой скважины через внутреннюю колонковую трубу для размыва пород при заглублении гидроударного бурового снаряда в грунт без отбора пробы с одновременной блокировкой подачи жидкости в гидроударник и зазор между колонковыми трубами, а также подачу жидкости от источника давления в гидроударник при заглублении гидроударного бурового снаряда в грунт при отборе пробы с одновременной блокировкой подачи жидкости в зазор между колонковыми трубами в обход гидроударника.

Отмеченные признаки составляют суть изобретения, потому что являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата - повышения глубины опробования толщи грунта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид гидроударного бурового снаряда, на фиг.2 - гидроударный буровой снаряд при заглублении в грунт без отбора пробы, а на фиг.3 - гидроударный буровой снаряд при отборе пробы.

В состав гидроударного бурового снаряда входят колонковый набор, который состоит из наружной и внутренней колонковых труб 1 и 2 с башмаком 3 и кернорвателем 4, и гидроударник с входным каналом 5 для соединения с источником давления и каналом 6 для отвода жидкости, связанным кольцевым зазором между корпусом 7 гидроударника и его кожухом 8, каналом 9 в нижней наковальне 10 и каналом 11 с зазором между колонковыми трубами 1 и 2, соединенным со скважиной отверстиями 12. Гидроударник состоит также из верхней наковальни 13 и клапанной коробки 14, между которыми установлен цилиндр 15. В цилиндре 15 установлен поршень 16, соединенный с бойком 17. В поршне 16 установлен выпускной клапан 18, зафиксированный пальцем 19, с пружиной 20. Выпускной клапан 18 соединен толкателем 21 с впускным клапаном 22, который установлен в клапанной коробке 14 и выполнен подпружиненным. В нижней наковальне 10 установлены всасывающий и нагнетательный насосные клапаны 23 и 24, которые выполнены подпружиненными. Над гидроударником размещен распределительный переходник 25 с камерой 26, в которой установлен поршень 27 с осевым каналом 28 и седлом 29 для пускового клапана 30. Поршень 27 зафиксирован штифтами 31 в своем крайнем верхнем положении. Камера 26 имеет отверстия 32, 33, 34, которые соответственно соединены с источником давления, входным каналом 5 гидроударника и с зазором между колонковыми трубами 1 и 2. Отверстие 33 перекрыто боковой поверхностью поршня 27. В камере 26 под поршнем 27 расположена пробка 35. Над каналом 11 установлен блокировочный клапан 36, который опирается на пружину 37. В центральном отверстии блокировочного клапана 36 установлен кольцевой золотник 38, который опирается на пружину 39. Полость 40 под кольцевым золотником 38 связана с зазором между колонковыми трубами 1 и 2 каналом 11. Кольцевой золотник 38 перекрывает отверстия 41, соединенные с полостью внутренней колонковой трубы 2.

Гидроударный буровой снаряд работает таким образом. Он спускается с борта судна и устанавливается на дне в вертикальном положении, например при помощи бурильной колонны или стабилизирующей опоры (когда его включают в состав погружной буровой установки). При этом пусковой клапан 30 отсутствует. Поршень 27 занимает свое крайнее верхнее положение в камере 26 распределительного переходника 25, в которой он зафиксирован штифтами 31. Отверстие 33 перекрыто боковой поверхностью поршня 27. Блокировочный клапан 36 и кольцевой золотник 38 занимают крайнее верхнее положение под действием пружин 37 и 39 соответственно.

Отбор пробы с глубины, превышающей длину колонкового набора, осуществляется в такой последовательности.

Сначала осуществляется предварительное бурение без отбора пробы.

От источника давления, находящегося на борту судна, в гидроударный буровой снаряд подается жидкость, которая через отверстие 32, осевой канал 28 в поршне 27, камеру 26, отверстие 34, кольцевой зазор между корпусом 7 и кожухом 8, каналы 9 и 11, зазор между колонковыми трубами 1 и 2 и отверстия 12 выходит в окружающую среду. Увеличивая подачу жидкости, добиваются того, что под действием скоростного напора жидкости и перепада давления на блокировочном клапане 36 последний двигается вниз, сжимая пружину 37, и перекрывает проход жидкости в канал 11. При этом жидкость поступает в пространство над кольцевым золотником 38. За счет повышения давления при закрытии блокировочного клапана 36 над кольцевым золотником 38 последний двигается вниз, сжимая пружину 39. Это движение осуществляется потому, что при этом полость 40 под кольцевым золотником 38 постоянно связана каналом 11 с зазором между колонковыми трубами 1 и 2, соединенным с окружающей средой или скважиной, следовательно, давление жидкости под кольцевым золотником 38 будет значительно ниже, чем над ним. Когда кольцевой золотник 38 откроет отверстия 41, то жидкость по ним поступает в полость внутренней колонковой трубы 2 и через кернорватель 4 - на забой скважины, размывая породу. Это обеспечивает возможность заглубления гидроударного бурового снаряда в грунт без отбора пробы. Гидроударник при этом заблокирован, поскольку отверстие 33 камеры 26, соединенное с входным каналом 5 гидроударника, перекрыто поршнем 27. Для более свободного прохода жидкости через кернорватель 4 в последнем могут быть выполнены дополнительные щели или отверстия (не показаны), наличие которых не отразится на его работе при удержании пробы по окончании бурения.

После того, как гидроударный буровой снаряд достигнет нужной глубины отбора пробы, подачу жидкости от источника давления прекращают. Поскольку давление в системе падает, то кольцевой золотник 38 и блокировочный клапан 36 под действием пружин 39 и 37 соответственно занимают свои крайние верхние положения, закрывая отверстия 41 и перекрывая таким образом доступ жидкости в полость внутренней колонковой трубы 2.

Далее, по линии, которая соединяет источник давления с гидроударным буровым снарядом (бурильные трубы, нагнетательный шланг), сбрасывается пусковой клапан 30 и снова включается подача жидкости. После посадки пускового клапана 30 в седло 29 поршня 27 давление в системе возрастает настолько, что штифты 31 срезаются. Поршень 27 перемещается в крайнее нижнее положение, при этом пробка 35 перекрывает осевой канал 28. Таким образом, отверстие 33 камеры 26, связанное с входным каналом 5 гидроударника, соединяется с источником давления, а отверстие 34, связанное с зазором между колонковыми трубами 1 и 2, разъединяется с последним.

Жидкость от источника давления поступает в гидроударник через входной канал 5.

По зазору между корпусом 7 и цилиндром 15 она поступает под поршень 16, осуществляя его подъем. При этом жидкость из надпоршневой полости цилиндра 15 вытесняется по каналу клапанной коробки 14 и каналу для отвода жидкости 6 в зазор между кожухом 1 и корпусом 7 и, далее, каналами 9 и 11 - в зазор между колонковыми трубами 1 и 2, и через отверстия 12 она поступает в скважину выше башмака 3, размывая стенки скважины, что снижает силы трения по наружной поверхности гидроударного бурового снаряда. Поршень 16, двигаясь вверх, сжимает пружину 20, поскольку клапанная группа (впускной и выпускной клапаны 22 и 18) находится в исходном положении за счет давления жидкости на впускной клапан 22. Дойдя до выпускного клапана 18, поршень 16 наносит по нему удар. За счет удара, силы сжатой пружины 20 и частичного общего хода с поршнем 16 выпускной клапан 18 закроется (перекроет каналы в клапанной коробке 14), а впускной клапан 22 откроется, поскольку оба клапана связаны толкателем 21. Жидкость начинает поступать в верхнюю полость цилиндра 15. В момент перестановки клапанной группы боек 17 наносит удар по верхней наковальне 13. По мере поступления жидкости в верхнюю полость цилиндра 15 поршень 16 и боек 17 передвигаются вниз, потому что рабочая площадь поршня 16 сверху больше, чем снизу. Клапанная группа сохраняет свое верхнее положение за счет давления жидкости на выпускной клапан 18. Перестановка клапанов 18 и 22 в исходное положение произойдет после удара пальцем 19 по хвостовику клапана 18 и их общего хода вниз. При этом боек 17 наносит удар по нижней наковальне 10. Дальше цикл работы повторяется.

Под действием ударов гидроударный буровой снаряд заглубляется в грунт башмаком 3, и проба поступает во внутреннюю колонковую трубу, отжимая в стороны лепестки кернорвателя 4. В процессе бурения в полости внутренней колонковой трубы 2 осуществляется обратная промывка. При ходе бойка 17 вверх через всасывающий клапан 23 жидкость поступает из колонковой трубы 2 под шток бойка 17. При ходе бойка 17 вниз жидкость через нагнетательный насосный клапан 24 выбрасывается в канал 9 и дальше - в скважину.

При работе гидроударника подача жидкости в гидроударный буровой снаряд должна быть такой, что даже с учетом подачи жидкости из внутренней колонковой трубы 2 при обратной промывке в канал 9 расход жидкости через блокировочный клапан 36 должен быть значительно меньше, чем необходимый для закрытия блокировочного клапана 36 при размыве пород на забое скважины. Таким образом, в процессе отбора пробы блокировочный клапан 36 и кольцевой золотник 38 остаются в своих крайних верхних положениях, и жидкость, которая перетекает из канала 9 в канал 11, не попадает в полость внутренней колонковой трубы 2 и не нарушает пробу.

В случае, когда нужно отобрать пробу из верхнего слоя грунта, бурение без отбора керна не осуществляется, а в снаряд сразу после его спуска на дно моря сбрасывают пусковой клапан 30 и подают жидкость в снаряд. Последующая работа устройства аналогична.

Применение предложенного изобретения позволяет при отборе проб грунтов в мягких нескальных донных отложениях гидроударным буровым снарядом повысить глубину опробования толщи грунта за счет обеспечения возможности предварительного заглубления бурового снаряда в грунт без отбора пробы.