Керноотборный снаряд и способ его изготовления

 

Использование: изобретение относится к устройствам для бурения с отбором керна. Керноприемник снаряда выполнен в виде свернутого в трубу гофрированного листа. Пазы гофра служат для прохода жидкости. Наружные к забою, внутренние от забоя. Приведены соотношения площадей пазов их размещения, условия непрерывности наклонных пазов. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для бурения с отбором керна.

Известен керноотборный снаряд, содержащий корпус, бурильную головку с кернообразующим отверстием и керноприемник с каналами на внутренней поверхности. Такой снаряд обладает целым рядом преимуществ, изложенных в его описании, но, вместе с тем имеет недостаточную жесткость, определяемую только жесткостью корпуса. Недостаточная жесткость инструмента у забоя приводит, как известно, к искривлению скважин и снижению выноса керна. Кроме того, велика трудоемкость изготовления пазов на внутренней поверхности керноприемника, полученных мехобработкой (фрезерованием и т.п.).

Известен также керноотборный снаряд, содержащий корпус, бурильную головку с кернообразующим отверстием и керноприемник с каналами на внутренней и наружной поверхностях [1] Керноотборный снаряд благодаря тому, что как внутренние, так и наружные пазы требуют своего радиального пространства, не удается получить достаточный диаметр керна, что не позволяет достичь достаточно высокого выноса керна.

Известен способ изготовления керноотборного снаряда, включающий образование пазов на внутренней поверхности керноприемника.

Известен также способ изготовления керноотборного снаряда, включающий образование пазов на наружной и внутренней поверхностях керноприемника.

Способ характеризуется весьма высокой трудоемкостью, определяемой принципиальным отличием способов, связанных с резанием материала, а не его пластической деформацией, кроме того, такой способ не дает возможности получить ни достаточной жесткости снаряда, ни достаточного диаметра керна, что чревато искривлением скважины при бурении и низким выносом керна. Кроме того, способ по [2] обладает дополнительным недостатком, заключающемся в том, что выполнение пазов на наружной и внутренней поверхности корпуса выполняются в разных операциях, что практически удваивает время их получения.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения путем предотвращения искривления ствола скважины за счет увеличения жесткости снаряда, рост выхода керна благодаря увеличению его диаметра и снижение трудоемкости изготовления.

Поставленная цель достигается в керноотборном снаряде, содержащем корпус, бурильную головку с кернообразующим отверстием и керноприемник с каналами на внутренней и наружной поверхностях, тем, что керноприемник выполнен в виде продольно гофрированной трубы, наружные выступы гофра контактируют с внутренней поверхностью корпуса и служат центратором керноприемника в корпусе, а диаметр вписанной окружности поперечного сечения керноприемника не менее диаметра кернообразующего отверстия, наружные пазы гофра служат каналами для транспортирования промывочной жидкости к забою, а внутренние от забоя, причем полости внутренних и наружных пазов размещены частично в одном кольцевом пространстве, а также тем, что керноприемник свернут из листа, а отношение площади F наружного паза к площади A внутреннего паза, без поправки на деформацию материала, отвечает зависимости где h толщина листа; R радиус по наружным выступам; r радиус по внутренним выступам, и, кроме того, тем, что впадины и выступы гофра расположены под углом к продольной оси снаряда, и у пазов, лежащих на одной стороне листа, начало пазов на одном краю листа совпадает по высоте листа с концами пазов на другом краю листа, и ширина Н гофрированного листа, ширина s двух рядом расположенных наружного и внутреннего пазов, шаг Т паза, количество z пазов на одном шаге, угол Φ наклона пазов и ширина М заготовки для изготовления гофрированного листа отвечают зависимостям: t sin Φ z s, t tg Φ H, H sin Φ z s, M 2 π z (2 p + h), где р радиус паза.

Поставленная цель достигается в способе изготовления керноотборного снаряда, включающем образование пазов на наружной и внутренней поверхностях керноприемника, тем, что выступы и впадины гофра выдавливают в листе, сворачивают лист в трубу, и вставляют гофрированную трубу в корпус, причем выступы и впадины гофра, образующие наружные и внутренние пазы керноприемника, получают одновременно за одну операцию, а также тем, что складки гофра выдавливают под углом к продольной стороне листа, причем начало очередной впадины на одной стороне листа выдавливают на высоте окончания другой впадины на второй стороне листа.

Сопоставительный анализ керноотборного снаряда с прототипом показывает, что предложенный керноотборный снаряд отличается тем, что керноприемник выполнен в виде продольно гофрированной трубы, наружные выступы гофра контактируют с внутренней поверхностью корпуса и служат центратором керноприемника в корпусе, а диаметр вписанной окружности поперечного сечения керноприемника не менее диаметра кернообразующего отверстия, наружные пазы гофра служат каналами для транспортирования промывочной жидкости к забою, а внутренние от забоя, причем полости внутренних и наружных пазов размещены частично в одном кольцевом пространстве, а также тем, что керноприемник свернут из листа, а отношение площади F наружного паза к площади A внутреннего паза, без поправки на деформацию материала, отвечает зависимости где h толщина листа;
R диаметр по наружным выступам;
r диаметр по внутренним выступам, и кроме того тем, что выступы и впадины гофра расположены под углом к продольной оси снаряда, и у пазов, лежащих на одной стороне листа, начало пазов на одном краю листа совпадает по высоте листа с концами пазов на другом краю листа и ширина Н гофрированного листа, ширина s двух рядом расположенных наружного и внутреннего пазов, шаг Т паза, количество z пазов на одном шаге, угол Φ наклона пазов и ширина М заготовки для изготовления гофрированного листа отвечают зависимостям:
t sin Φ z s,
t tg Φ H.

H sin Φ z s.

M 2 π z (2 p + h), где p радиус паза.

Сопоставительный анализ способа изготовления керноотборного снаряда с прототипом показывает, что предлагаемый способ изготовления керноотборного снаряда, включающий образование пазов на наружной и внутренней поверхностях керноприемника, отличается тем, что выступы и впадины гофра выдавливают в листе, сворачивают лист в трубу, и вставляют гофрированную трубу в корпус, причем выступы и впадины гофра, образующие наружные и внутренние пазы керноприемника, получают одновременно за одну операцию, а также тем, что складки гофра выдавливают под углом к продольной стороне листа, причем начало очередной впадины на одной стороне листа выдавливают на высоте окончания другой впадины на второй стороне листа.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнительный анализ заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими известными решениями в данной области техники, не выявил в них признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Таким образом отличительный признак заявленного керноотборного снаряда, заключающийся в том, что керноприемник выполнен в виде продольно гофрированной трубы, наружные выступы гофра контактируют с внутренней поверхностью корпуса и служат центратором керноприемника в корпусе, а диаметр вписанной окружности поперечного сечения керноприемника не менее диаметра кернообразующего отверстия, наружные пазы гофра служат каналами для транспортирования промывочной жидкости к забою, а внутренние от забоя, причем полости внутренних и наружных пазов размещены частично в одном кольцевом пространстве, обеспечивает: повышение жесткости снаряда, т.к. на изгиб здесь работают совместно корпус снаряда и контактирующий с ним керноприемник, представляющие собой единую пространственную форму; центрирование керноприемника в корпусе; центрирование керна в кернопримнике; увеличение диаметра керна; все это обеспечивает повышение выхода керна.

Отличительный признак заявленного снаряда, заключающийся в том, что керноприемник свернут из листа, а отношение площади F наружного паза к площади A внутреннего паза, отвечает зависимости
K где h толщина листа;
R диаметр по наружным выступам;
r диаметр по внутренним выступам (где К коэффициент, учитывающий деформацию материала), многократно уменьшает трудоемкость изготовления за счет выполнения пазов пластической деформацией материала, а не резанием его, и снижает расход материала, а также позволяет произвести расчет потоков (по соотношению площадей) для гидравлического расчета снаряда и правильного их выбора.

Отличительный признак заявленного керноотборного снаряда, заключающийся в том, что выступы и впадины гофра расположены под углом к продольной оси снаряда, и у пазов, лежащих на одной стороне листа, начало пазов на одном краю листа совпадает по высоте листа с концами пазов на другом краю листа и ширина Н гофрированного листа, ширина s двух рядом расположенных наружного и внутреннего пазов, шаг Т паза, количество z пазов на одном шаге, и угол Φ наклона пазов и ширина М заготовки для изготовления корпуса отвечают зависимостям:
t sin Φ z s,
t tg Φ H,
H sin Φ z s,
M 2 π z(2 р + h), где р радиус паза, определяет наклонное положение пазов, что при вращении снаряда увеличивает подъемную силу потока, поднимающего керн кверху керноприемника, и определяет шаг пазов и ширину заготовки листа, в котором выполняют пазы и из которого изготовлен керноприемник, обеспечивающий совпадение конца пазов на одной стороне и начала их на другой стороне, что дает непрерывность гидротранспортных каналов и предотвращает дополнительные гидравлические сопротивления.

Отличительный признак заявленного способа изготовления керноотборного снаряда, заключающийся в том, что выступы и впадины гофра выдавливают в листе, сворачивают лист в трубу, и вставляют гофрированную трубу в корпус, причем выступы и впадины гофра, образующие наружные и внутренние пазы керноприемника, получают одновременно за одну операцию, многократное уменьшение трудоемкости изготовления за счет выполнения пазов пластической деформацией материала, а не резанием его, и снижает расход материала, увеличивает жесткость снаряда за счет выполнения его контактирующих корпуса и керноприемника в виде пространственной формы, что предотвращает как искривление скважин, так и снижение выноса керна, увеличивая также и его диаметр, за счет выполнения каналов для нисходящего и восходящего потоков бурового раствора в одном кольцевом пространстве.

Отличительный признак заявленного способа изготовления керноотборного снаряда, заключающийся в том, что складки гофра выдавливают под углом к продольной стороне листа, причем начало очередной впадины на одной стороне листа выдавливают на высоте окончания другой впадины на второй стороне листа, также снижает трудоемкость изготовления и способствует получению наклонных пазов, и совпадению при этом пазов на обеих сторонах листа, что обеспечивает получение непрерывных каналов.

Таким образом, отличительные признаки заявленных технических решений обеспечивают достижение целей изобретения.

На фиг. 1 изображен снаряд, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.

Снаряд содержит корпус 1, керноприемник 2 и соединяющий их верхний переводник 3 с отверстиями 4, соединяющими полость бурильного инструмента (не показан) над снарядом с каналами 5 на наружной поверхности керноприемника 2, и отверстиями 6, соединяющими каналы 7 на внутренней поверхности керноприемника 2 с наружным пространством. Керноприемник 2 выполнен из листа, в котором предварительно выдавлены складки гофра, свернутого в трубу и вставленного в корпус 1, так что наружные 8 выступы гофра центрируют керноприемник в корпусе 1 и создают с ним единую пространственную форму, что способствует прямолинейности снаряда и предотвращению его изгиба и искривления скважины. Внутренние 9 выступы гофра служат центраторами керна. Непрерывность каналов 5 и 7 обеспечивается началом одних каналов и концом других каналов на одной высоте, что обеспечивается заданной величиной шага пазов, расположенных на одной стороне листа. Направление каналов 5 и 7 целесообразно сделать обратным направлению присоединительных резьб 10 верхнего переводника 3. Снизу к корпусу 1 присоединен нижний переводник 11, оснащенный опорно-центрирующими элементами 12. К нижнему переводнику 11 присоединен породоразрушающий наконечник 13. Керноприемник 3 снизу снабжен кернодержателем 14 и керноломом 15.

Рассмотрим конкретный керноотборный снаряд диаметром 83 мм для проходки скважин диаметром 93 мм. При корпусе с толщиной стенки 6,5 мм делаем керноприемник из листа с толщиной стенки h 4 мм, в котором, исходя из необходимости пропуска вверх pаствора со шламом, выполнены пазы глубиной 5 мм. Диаметр керна при этом равен 52 мм. Соотношение площадей пазов на наружной и внутренней поверхностях керноприемника:
1,23
Это значит, что при наличии керна в керноприемнике через внутренние пазы будет проходить на 23% меньшее количество раствора, чем через наружный (сопротивления в наружных и внутренних пазах одинаковые). Таким образом опорно-цент- рирующие элементы должны быть рассчитаны на пропуск около четверти планируемого расхода промывочной жидкости. Для изготовления гофрированного керноприемника с указанными выше размерами требуется лист шириной H= 191,6 мм.

Если принять угол наклона пазов к вертикали 30^о, то шаг t паза равен:
t 331,9 мм
Число пазов на одном шаге t равно
z 5,93 Можно было бы подкорректировать число пазов до целого числа (6), изменяя угол Φ, но учитывая, что несовпадение начала и окончания паза не совпадают на величину порядка 2% от их диаметра [ x2 x 100 2,02% ширина заготовки листа составляет M 2 π z (2 p + h) 670,7.

Работает колонковый снаряд следующим образом. Промывочная жидкость, нагнетаемая сверху, проходит через циркуляционные каналы 4 в наружные пазы 5 и далее через породоразрушающий наконечник 13 поступает на забой скважины. Здесь жидкость разделяется на два потока. Один идет вверх через зазоры в опорно-центрирующем устройстве 12 и затрубное пространство, а другой идет через полость керноприемника 2, внутренние пазы 7 и через отверстия 6 выходит за пределы керноотборного снаряда и соединяется с первым потоком. По мере образования керна, обуриваемого породоразрушающим наконечником 13, он отламывается керноломом 15 на сравнительно небольшие куски, для подъема которых достаточно создаваемой подъемной силы. Эти куски керна по мере образования поднимаются в верхнюю часть керноприемника. При наличии керна в керноприемнике 2 жидкость поднимается вокруг него по внутренним пазам 7. Наклон пазов в обратную вращению сторону интенсифицирует подъем потока и керна. При прекращении циркуляции и подъеме снаряда керн опустится вниз и будет удержан кернодержателем 14 и извлечен на поверхность.

По предлагаемому техническому решению разработан снабженный гофрированным керноприемником керноотборный снаряд с местной обратной циркуляцией СКГ-195/100.

Техническим преимуществом предлагаемого керноотборного снаряда является повышенная жесткость керноотборного снаряда и, благодаря этому, предотвращение искривления ствола скважины, увеличению диаметра керна и, вследствие этих двух причин, повышение выхода керна, а также значительное снижение трудоемкости изготовления снаряда.

Общественно-полезным преимуществом предлагаемых технических решений является сокращение затрат времени и средств на разведку, освоение и ввод в эксплуатацию разведываемых месторождений.

Формула изобретения

1. Керноотборный снаряд, содержащий бурильную головку с кернообразующим отверстием и равнопрочный керноприемник с промывочными каналами на наружной и внутренней поверхностях, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности бурения путем предотвращения искривления ствола скважины за счет увеличения жесткости снаряда, повышения выхода керна за счет увеличения его диаметра, снижения трудоемкости изготовления, он снабжен корпусом, бурильная головка присоединена к нижней части корпуса, равнопрочный керноприемник выполнен в виде продольно гофрированной трубы, установленной в корпусе с возможностью контактирования наружных выступов гофра с внутренней поверхностью корпуса, промывочные каналы на внутренней поверхности керноприемника образованы внутренними впадинами гофра и выполнены для отвода обратного потока очистного агента, промывочные каналы на наружной поверхности керноприемника образованы наружными впадинами гофра, ограничены внутренней поверхностью корпуса и выполнены для подачи прямого потока очистного агента, при этом диаметр вписанной окружности в поперечное сечение керноприемника не менее диаметра кернообразующего отверстия бурильной головки.

2. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что равнопрочный керноприемник в виде продольно гофрированной трубы выполнен из листа, а отношение площади F поперечного сечения промывочного канала на наружной поверхности керноприемника к площади A поперечного сечения промывочного канала на внутренней поверхности керноприемника без учета поправки на деформацию материала листа отвечает зависимости

где h толщина листа;
R радиус равнопрочного керноприемника по внутренним впадинам гофра;
r радиус равнопрочного керноприемника по внутренним выступам гофра.

3. Снаряд по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выступы и впадины гофра расположены под углом ϕ к продольной оси снаряда и у впадин, лежащих на одной стороне листа, начало впадин на одном краю листа совпадает по высоте листа с концами впадин на другом краю листа, а ширина H гофрированного листа, ширина S двух рядом расположенных наружной и внутренней впадин, шаг t впадины, количество Z впадин на одном шаге, угол v наклона впадин и ширина M заготовки для изготовления гофрированного листа отвечают зависимостям
t sinϕ = ZS ;
t tgϕ = H ;
H sinϕ = ZS ;
M 2ПZ(2p + h),
где p радиус впадины.

4. Способ изготовления керноотборного снаряда, включающий образование впадин на наружной и внутренней поверхностях равнопрочного керноприемника, отличающийся тем, что выступы и впадины гофра выдавливают в листе, лист сворачивают в трубу и вставляют гофрированную трубу в корпус, причем выступы и впадины гофра, образующие наружные и внутренние промывочные каналы керноприемника, формируют одновременно за одну операцию.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что выступы и впадины гофра формируют выдавливанием под углом к продольной стороне листа, причем начало очередной впадины на одной стороне листа выдавливают на высоте окончания другой впадины на второй стороне листа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2