Результат интеллектуальной деятельности: КЕРНОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к горному делу, а именно к средствам для бурения с отбором керна и сохранением пластовой среды.

Известно керноприемное устройство (Авторское свидетельство СССР N 1249151, кл. E 21 В 25/08, 1986), содержащее корпус, породоразрушающий инструмент и керноприемную трубу, заполненную антифрикционным изолирующим веществом, заглушенную сверху заглушкой и закрытую снизу продольно подвижным поршнем, установленном в кернорвателе, на внешней поверхности поршня выполнена кольцевая проточка, над проточкой в упруго растянутом состоянии установлено уплотнительное кольцо.

Недостатком этого снаряда являются низкие показатели выноса и сохранности керна.

Известно керноприемное устройство (Патент РФ N 2049220, кл. E 21 В 25/08, 1995), содержащее корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб, бурильную головку с расточкой, кожух в виде трубы, размещенной в корпусе, башмак на нижнем торце кожуха, установленный разъемно в расточке бурильной головки, верхний узел герметизации кожуха, выполненный в виде крышки, разъемно установленной в верхнем торце кожуха, нижний узел герметизации, выполненный в виде разрушаемой диафрагмы, перекрывающей центральное отверстие башмака, узел поджатия кожуха, защемляющий кожух в корпусе и бурильной головке, керноприемник, выполненный в виде трубы с кернорвателем в нижней части, размещенный в кожухе на опоре вращения, регистратор захода керна, выполненный в виде резьбовых пробок с жестко присоединенными лепестками, равномерно установленных в стенке трубы керноприемника вдоль его образующей, и изолирующую жидкость в полостях кожуха и керноприемника.

Недостатками этого снаряда являются невысокие показатели выноса и сохранности керна, ненадежность работы регистратора захода керна, трудоемкость монтажа-демонтажа (сборка-разборка) снаряда.

Снижение показателей выноса и сохранности керна обусловлено зашламованием керноприемника и вытеснением изолирующей жидкости из его полости при спуске керноприемного устройства на забой скважины, контактом керна с элементами регистратора захода керна и внутренней стенкой керноприемника из-за отсутствия центрации керна в керноприемной трубе и гашения ее поперечной вибрации в процессе бурения, противотока изолирующей жидкости заходящему в керноприемник керну.

Низкая надежность работы регистратора захода керна выражается в искажении информации о заходе керна при зашламовании керноприемника при спуске снаряда и срезании лепестков керном в процессе бурения.

Трудоемкость монтажа-демонтажа снаряда заключается в необходимости при подготовке к каждому рейсу для установки пленочной диафрагмы в башмаке извлекать кожух из корпуса, отворачивать бурильную головку, извлекать башмак с кольцом и соответственно все это затем собирать.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение выноса, сохранности и информативности керна.

Технический результат состоит в перекрытии проходного сечения керноприемника на весь период спуска керноприемного устройства на забой, устранение контакта керна с керноприемной трубой и предотвращение разрушения керна при ее заполнении в процессе бурения, получение информации о заходе керна в керноприемник и снижение трудоемкости монтажа-демонтажа керноприемного устройства при подготовке к очередному рейсу.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в керноприемном устройстве, содержащем корпус с верхним переводником, бурильную головку с расточкой, кожух в виде трубы, размещенной в корпусе, башмак на нижнем торце кожуха, установленный разъемно в расточке бурильной головки, верхний узел герметизации кожуха, выполненный в виде крышки, разъемно установленной в верхнем торце кожуха, нижний узел герметизации, узел поджатия кожуха, защемляющий кожух в корпусе и бурильной головке, керноприемник, выполненный в виде трубы с кернорвателем в нижней части, размещенный в кожухе на опоре вращения, и изолирующую жидкость в полостях кожуха и керноприемника, согласно изобретению нижний узел герметизации выполнен в виде стакана, внутренняя полость которого в верхней части герметично перекрыта упруго эластичным элементом, образуя компенсатор давления, а нижний торец выполнен в форме вогнутого конуса, внешняя боковая поверхность стакана с торцов снабжена продольными пазами, прерываемыми кольцевыми проточками, между проточками выполнен цилиндрический выступ, на который устанавливается уплотнительное кольцо, выступ заканчивается буртом с пазами, пазы торцевых частей стакана с внешней стороны закрыты предохранительными кожухами с плоскими кольцевыми манжетами, выполненными из упругого антифрикционного материала, причем задняя поверхность манжет снабжена фрикционным покрытием, наружный диаметр манжет больше внутреннего диаметра керноприемника, а объем компенсационной емкости стакана и плотность его материала связаны соотношением

где ρ_м - плотность материала стакана;
ρ_ж - плотность изолирующей жидкости;
V_вн - объем компенсационной емкости;
V - объем стакана.

Таким образом, по наличию отличительных признаков можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Изобретение позволяет решить насущную проблему геологии - повышение представительности и информативности кернового материала, а также снизить затраты на эксплуатацию керноприемного устройства. На основании изложенного можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого керноприемного устройства в процессе спуска в скважину; на фиг. 2 - характер взаимодействия стакана с внутренней стенкой керноприемника и столбиком выбуриваемого керна; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - взаимодействие манжет стакана с внутренней стенкой керноприемника при извлечении керна (выполнение функции фиксатора захода керна).

Керноприемное устройство содержит корпус 1 с верхним переводником 2 для соединения с бурильной колонной 3, в нижней части корпус жестко соединен с бурильной головкой 4, в которой выполнены коническая расточка 5 и промывочные отверстия 6. В полости 7 корпуса 1 размещен кожух 8, нижняя часть которого посредством резьбы 9 соединена с башмаком 10, взаимодействующим с расточкой 5 бурильной головки 4. Герметичное перекрытие кожуха 8 сверху осуществляется крышкой 11, оснащенной кольцевым уплотнением 72. К крышке 11 через вращающуюся опору 13 присоединен керноприемник, выполненный в виде керноприемной трубы 14 с радиальными каналами 75 и кернорвателем 16, на внешней поверхности корпуса кернорвателя 16 размещено кольцо 77 из упругого антифрикционного материала.

В дне башмака 70 выполнено центральное цилиндрическое отверстие 18, диаметр которого больше диаметра проходного сечения кернорвателя 16, с боковой поверхностью центрального цилиндрического отверстия 18 взаимодействует уплотнительное кольцо 19, установленное в упруго растянутом состоянии на стакане 20, герметично перекрывая полости кожуха и керноприемника снизу.

Стакан 20 устанавливается в кернорвателе 16, нижний торец стакана 20 выступает ниже кромки бурильной головки 4. Внутренняя полость стакана 20 в верхней части при помощи кольца 27 и резьбовой втулки 22 герметично перекрыта упруго эластичным элементом 23, образуя компенсатор давления, а нижний торец выполнен в форме вогнутого конуса 24 (коническая расточка). Внешняя боковая поверхность стакана 20 с торцов снабжена продольными пазами 25, прерываемыми кольцевыми проточками 26 и 27. Между проточками 26 и 27 выполнен цилиндрический выступ 28, на который в исходном положении устанавливается уплотнительное кольцо 19, и бурт 29 с пазами 30. Пазы 25 с внешней стороны закрыты предохранительными кожухами 31 с плоскими кольцевыми манжетами 32, выполненными из упругого антифрикционного материала, причем задняя поверхность манжет 32 снабжена фрикционным покрытием (напыление абразива), а наружный диаметр манжет превышает внутренний диаметр керноприемника. Полость 33 кожуха 8 и полость 34 керноприемника перед спуском в скважину заполняются антифрикционной изолирующей жидкостью 35 через отверстие 36 в крышке 11, герметично перекрываемое пробкой 37. Плотность изолирующей жидкости должна быть меньше плотности бурового раствора. Для упругого взаимодействия столбика керна с нижним торцом стакана 20 и предотвращения оказания сопротивления заполнению керном керноприемника стакан 20 должен находиться во взвешенном состоянии, что обеспечивается условием формулы.

Фиксация кожуха 8 в корпусе 1 и бурильной головке 4 осуществляется узлом поджатия, выполненным в виде резьбовой пары - подвижный винт 38 и неподвижная гайка 39, выполненная в переводнике 2, в котором для циркуляции бурового раствора выполнены отверстия 40.

Для установки (извлечения) кожуха 8 в корпус 1 в верхней части кожуха 8 ниже посадочного места выполнена внутренняя резьба 41 для патрубка и пазы 42 под вилку.

Для установки (извлечения) керноприемника в кожух 8 в крышке 11 выполнены отверстия 43 под строп.

Керноприемное устройство работает следующим образом.

Перед первым спуском в скважину производят сборку устройства. Корпус 1 с навинченной бурильной головкой 4 устанавливают на устье скважины. В его полость 7 опускают, при помощи патрубка, кожух 8 с навинченным башмаком 10 и устанавливают в расточку 5 бурильной головки 4. Патрубок отворачивают. На приемных мостках собирают керноприемник, затем в кернорватель 16 устанавливают стакан 20 с предварительно установленным в упруго растянутом состоянии на верхней части цилиндрической поверхности 28 уплотнительным кольцом 19 до упора уплотнительного кольца 19 в торец, кернорвателя 16. В полость 33 кожуха 8 при помощи отверстий 43 крышки 11 опускают керноприемник до посадки крышки 11 на верхний торец кожуха 8. При этом уплотнительное кольцо 19, взаимодействуя с торцом кернорвателя 16 и цилиндрической поверхностью 18 башмака 10, перекрывает полости керноприемника 34 и кожуха 33 снизу. Через отверстие 36 в крышке 11 полости 33 и 34 заполняют изолирующей жидкостью 35 на неводной основе с плотностью, меньшей плотности бурового раствора. После заполнения полостей 33 и 34 отверстие 36 закрывают пробкой 37.

Винт 38 вывинчивают вверх и переводник 2 соединяют с корпусом 1, затем вращением винта 38 в гайке 39 поджимают кожух 8 в корпусе 1 и бурильной головке 4, окончательно герметизируя полости 33 и 34 сверху и снизу.

На колонне бурильных труб 3 керноприемное устройство спускают в скважину. При этом заполнение бурильной колонны буровым раствором из скважины осуществляется через отверстия 6, полость 7 и отверстия 40. Так как полости 3J и 34 заполняются изолирующей жидкостью 35 и герметизируются при атмосферном давлении, то по мере спуска в скважину стакан 20 и кольцо 19 будут испытывать все большее усилие от перепада давления между полостью 34 и гидростатическим давлением бурового раствора в скважине. Под действием этого усилия стакан 20 поверхностью 28 будет постепенно перемещаться вверх до упора уплотнительного кольца 19 в бурт 29, при этом разница давлений будет восприниматься упруго эластичным элементом 23 компенсатора давления и на протяжении всего спуска проходное сечение бурильной головки 4 будет перекрыто стаканом 20, чем исключается проникновение внутрь керноприемника бурового раствора, его зашламование и забивание проходного сечения пробкой, образуемой породой и глинистой коркой, сдираемой бурильной головкой со стенок скважины.

После спуска, при постановке керноприемного устройства на забой, стакан 20 продвинется вверх, при этом уплотнительное кольцо 19 протолкнется через бурт 29 и западет в проточку 25, так как при установке на стакан 20 было предварительно растянуто, этим полости 33, 34 и полость скважины будут сообщены и давления в них выровнены, но излива жидкости 35 в скважину происходить не будет, благодаря его меньшей, по сравнению с буровым раствором, плотности.

Бурение с отбором керна 44 производят вращением корпуса 1 с промывкой забоя скважины буровым раствором, нагнетаемым с поверхности по бурильной колонне через отверстия 40, полость 7, отверстия б и созданием осевой нагрузки на бурильную головку 4 частью веса бурильной колонны 3. При этом за счет посадки башмака 10 в расточке 5 доступ бурового раствора к выбуриваемому столбику керна перекрыт.

По мере выбуривания керн заполняет полость 34, перемещая на себе стакан 20, вытесняя из полости 34 изолирующую жидкость 35, которая через каналы 15 и полость 33 поступает к кернообразующим элементам бурильной головки 4, охлаждая и смазывая их и предотвращая доступ бурового раствора к формируемому керну, чем предотвращается как размыв керна, особенно представленный породами с низкой прочностной характеристикой, так и проникновение в его поровое пространство фильтрата бурового раствора, что обеспечивает как повышение выноса керна, так и его информативность ввиду сохранения естественной водонасыщенности.

Верхний торец ("голова") выбуриваемого столбика керна 44 упирается в вогнутую полость дна стакана 20, перемещая его на себе в керноприемной трубе 14, при этом за счет большего диаметра манжеты 32 кожуха 31 упруго взаимодействуют с внутренней стенкой керноприемной трубы 14, центрируя столбик керна в полости 34 и устраняя передачу поперечной вибрации керноприемника на керн, тем самым обеспечивая гарантированное отсутствие контакта керна с керноприемной трубой 14. Для снижения уровня поперечной вибрации самого керноприемника служит кольцо 17. Благодаря антифрикционным свойствам изолирующей жидкости 35 и материала манжет 32, а также наличию продольных пазов 25, 30 и соблюдению условия формулы стакан 20 легко перемещается в полости 34, не оказывая сопротивления заходу керна, а в случае подклинок опоры вращения и соответствующих проворотах керноприемной трубы манжеты 32 будут скользить по ее стенкам, предотвращая контакт с керном. Все это способствует сохранению керна 44, в особенности представленного рыхлыми, слабосцементированными породами.

По окончании бурения приподнимают керноприемное устройство над забоем, отрывая кернорвателем 16 керн 44 от целика, и затем поднимают керноприемное устройство на поверхность, при этом слив раствора из бурильной колонны в скважину осуществляется через отверстия 40, полость 7 и отверстия 6.

На поверхности устанавливают керноприемное устройство на роторе буровой установки, отсоединяют от корпуса 1 переводник 2 с винтом 38 и, используя отверстия 43, извлекают керноприемник при отвинченной пробке 37, сливая остатки изолирующей жидкости.

Затем от керноприемной трубы 14 отделяют кернорватель 16 и извлекают керн, при этом за счет упругого взаимодействия манжет 32 с внутренней стенкой керноприемной трубы 14, а также фрикционного покрытия задней стороны манжет стакан 20 останется на месте.

Линейную длину извлеченного керна сравнивают с величиной проходки за рейс, причину несоответствия сравниваемых величин устанавливают по местонахождению стакана 20 в керноприемной трубе 14 мерной лентой.

Полученная информация позволит определить, потерян ли керн при отрыве и транспортировке на поверхность из-за ненадежной работы кернорвателя или разрушен в процессе бурения из-за несоответствия применяемой бурильной головки, кернорвателя и режимных параметров прочностной характеристики пород в данном интервале отбора керна, что позволит внести коррективы при следующем долблении.

Для осуществления следующего рейса присоединяют кернорватель 16 к керноприемной трубе 14, устанавливают стакан 20, опускают керноприемник в полость 33 и производят операции, описанные выше. В отличие от прототипа уменьшается трудоемкость и затраты времени при подготовке к очередному рейсу, что уменьшает затраты на эксплуатацию керноприемного устройства.