[1]Предлагаемая полезная модель «Кернозахватное устройство» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
[2]Использованные в тексте Заявки термины понимаются следующим образом.
[3]Под кернозахватным элементом (КЗЭ) понимается «рабочий орган кернозахватного устройства (КЗУ), непосредственно взаимодействующий с керном с целью его отделения (отрыва) от забоя, захвата и удержания при подъеме бурового снаряда из скважины (см. Н.Г.Егоров - Бурение скважин в сложных геологических условиях.- Тула: ИПП «Гриф и К», 2006, с.206; Н.Г.Егоров - Колонковые снаряды с кернозахватными устройствами.- М. 1997, Обзор «Техн., технол. и организация геол.-развед. работ», АОЗТ «Геоинформмарк», с.9, 10).
[4]Под кернозахватным устройством (КЗУ) понимается «механизм, состоящий из кернозахватного элемента (элементов) и приспособления для привода его (их) в действие с целью захвата, отрыва от забоя и удержания керна» (см. там же).
[5]Известные простые кернозахватные устройства с кернозахватным элементом, представляющим собой тонкое разрезное кольцо с конической наружной поверхностью и внутренними кернозахватными выступами (И.С.Афанасьев, Г.А.Блинов, П.П.Пономарев, А.И.Кукес, Н.Н.Бухарев, О.В.Иванов, Ю.Т.Морозов, А.И.Осецкий, Э.К.Егоров, Н.Г.Егоров - Справочник по бурению геологоразведочных скважин. - СПб.: ООО «Недра», 2000. с.199-202, рис.3.9. а, б, в), используемые в одинарных и двойных колонковых снарядах с алмазными и твердосплавными коронками, предназначены для захвата и удержания керна монолитных и слаботрещиноватых горных пород и не обеспечивают подъема кернового материала при бурении в несвязных (дезинтегрированных) горных породах.
[6]Из известных КЗУ и КЗЭ, применяемых в колонковых снарядах, для захвата дезинтегрированного кернового материала предназначены пружинящие упругие элементы в виде проволок и пластин, направленных вверх, и в виде поворотных рычажков. Однако проволочные упругие элементы очень ненадежны, а для размещения в колонковом наборе поворотных рычажков требуется большое конструктивное пространство, в связи с чем увеличивается толщина матрицы буровой коронки и, следовательно, увеличивается площадь разрушаемого кольцевого забоя при уменьшении диаметра керна, что нерационально.
[7]Известно кернозахватное устройство (патент РФ на полезную модель №9870 МПК Е21В 25/00), содержащее кернозахватные элементы в виде направленных вверх упругих лепестков, выполненных в теле втулки и являющихся неотъемлемой частью ее, а на наружной поверхности втулки выполнен кольцевой буртик, который установлен с возможностью свободного вращения в кольцевой проточке колонковой трубы над верхним торцем коронки.
[8]Данное кернозахватное устройство успешно решает задачу захвата и подъема дезинтегрированного кернового материала несвязных горных пород (галечники, гравийно-галечные и песчано-гравийные отложения и т.п.), однако не всегда обеспечивает захват и отрыв монолитного плотного керна, особенно крепких горных пород, так как при подъеме снаряда упругие лепестки скользят по керну, не врезаясь в него.
[9]Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности кернозахватного устройства при бурении скважин в горных породах с разнообразными физико-механическими свойствами.
[10]Для решения поставленной задачи в разрезном кернорвательном кольце с конической наружной поверхностью и внутренними кернозахватными выступами между выступами выполнены дополнительные кернозахватные элементы в виде расположенных поочередно малых и больших упругих лепестков, причем малые упругие лепестки направлены внутрь устройства и всегда взаимодействуют с керном в процессе бурения, а большие лепестки отжимаются при сборке устройства в соответствующие им впадины в кернорвательном кольце, которое своей внутренней проточкой вместе с отжатыми в исходное положение большими упругими лепестками размещается на наружной проточке керноприемной трубы, и в процессе бурения с керном не взаимодействуют, срабатывая лишь при подъеме снаряда, когда кернорвательное кольцо в результате взаимодействия малых лепестков с керном выходит из контакта с наружной проточкой керноприемной трубы.
[11]Благодаря тому, что малые упругие лепестки находятся в постоянном контакте с керновым материалом любого агрегатного состояния, кернорвательное кольцо КЗУ при подъеме снаряда выдергивается с наружной проточки керноприемной трубы, при этом освободившиеся большие упругие лепестки, двигаясь к центру, стремятся перекрыть внутреннюю полость КЗУ и захватывают весь имеющийся на забое керновый материал.
[12]Благодаря применению кернорвательного кольца с внутренними кернозахватными выступами захватывается, а затем, при движении конического кольца вниз по конической проточке корпуса при подъеме снаряда, зажимается керн плотных и слаботрещиноватых пород. В случае уменьшения диаметра керна в результате износа в процессе бурения захват его кернозахватными выступами произойдет благодаря вынужденному перемещению вниз разрезного кернорвательного кольца за счет постоянного взаимодействия с керном малых упругих лепестков.
[13]Таким образом, предлагаемое кернозахватное устройство является универсальным техническим средством, позволяющим гарантированно захватить и извлечь из скважины керновый материал, находящийся в любом агрегатном состоянии. Это особенно важно потому, что в процессе бурения скважин (часто в течение одного рейса) встречаются горные породы с самыми разнообразными физико-механическими свойствами.
[14]Благодаря описанным конструктивным особенностям предлагаемое кернозахватное устройство может применяться как с одинарными, так и с двойными колонковыми трубами, а также в комплексах со съемными керноприемниками.
[15]Предлагаемое кернозахватное устройство (фиг.1, продольный разрез) состоит из разрезного кернорвателыюго кольца 1 с наружной конической поверхностью и внутренними кернозахватными выступами «а», размещенного в корпусе 2, соединенном с керноприемной трубой 3. Между кернозахватными выступами «а» в теле кернорвательного кольца 1 вырезаны (например, лазером) малые лепестки «б» и большие лепестки «в», расположенные поочередно. Малые упругие лепестки «б» всегда направлены внутрь устройства. Большие упругие лепестки «в» при сборке КЗУ на поверхности с помощью простого приспособления отжимаются в соответствующие им впадины в кернорвательном кольце, которое затем своей внутренней проточкой вместе с отжатыми в исходное положение большими лепестками размещается на наружной проточке керноприемной трубы (это положение изображено на фиг.1).
[16]Разрезное кернорвательное кольцо 1 изготавливается из пружинной стали и подвергается термической обработке (закалке) при положении лепестков «б» и «в» «внутрь КЗУ» (это положение изображено на фиг.2). Для обеспечения возможности свободного вращения кернорвательного кольца внутренняя проточка кернорвательного кольца и наружная проточка на керноприемной трубе закаливаются и шлифуются, а при сборке КЗУ их поверхности обильно смазываются консистентной смазкой.
[17]При бурении керн поступает внутрь КЗУ. Кернорвательное кольцо за счет взаимодействия малых упругих лепестков «б» с керном прижимается вверх и находится постоянно в исходном положении, показанном на фиг.1. По окончании бурения колонковый снаряд поднимают. За счет взаимодействия с керном малых упругих лепестков «б» (и кернозахватных выступов «а» - если керн монолитный и мало изношен в процессе бурения) кернорвательное разрезное кольцо, сжимаясь, перемещается вниз по внутренней конической поверхности корпуса 2. При этом большие упругие лепестки «в» выходят из контакта с наружной проточкой керноприемной трубы и, двигаясь под действием сил упругости к центру, стремятся перекрыть внутреннюю полость КЗУ, захватывая весь имеющийся на забое керновый материал. В случае, если керновый материал представлен рыхлыми и сыпучими породами, большие лепестки «в» могут максимально сблизиться к центру (это положение показано на фиг.2). Благодаря тому, что длина больших лепестков больше радиуса разрезного кернорвательного кольца, они при сближении к центру образуют фигуру наподобие купола, являющегося достаточно устойчивой конструкцией, способной удержать керновый материал от выпадения из КЗУ при подъеме из скважины.
[18]Извлечение керна из КЗУ на поверхности производится после отвинчивания корпуса 2 от керноприемной трубы 3. Упругие лепестки в случае деформации правятся с помощью простого приспособления, поверхности деталей очищаются, смазываются консистентной смазкой, после чего КЗУ может быть собран в исходное положение.
