§ 4. Двойные колонковые снаряды с несъемным кернопрнемником

Двойные колонковые снаряды с несъемным кернопрнемником (ДКС—НсКп) служат для получения керна при бурении скважин недостаточно устойчивых, сложных по своим свойствам пород и полезных ископаемых. В соответствии с классификацией (см. табл. 17.1) по конструктивному исполнению ДКС—НсКп могут быть с вращающимся при бурении кернопрнемником (ДКС—В), невращающимся керноприемником (ДКС—Н) и комбинированного типа (ДКС-К).

По реализуемой схеме циркуляции очистного агента ДКС могут быть без циркуляции потока в керноприемной трубе, с обратной циркуляцией потока, создаваемой напором насоса, с разделением потока за счет подбора гидравлических сопротивлений в циркуляционных каналах или пакерных устройств и за счет эжекции жидкости водоструйным погружным насосом.

Известно большое количество конструкций ДКС—НсКп, созданных различными организациями: ВИТРом, КазИМСом, ТПИ, ДонбассНИЛом и многими геологическими подразделениями. Однако широкое применение в производстве находят немногие из них в связи с присущими им недостатками, главным из которых является ограниченная область применения каждой из предложенных конструкций.

Двойные колонковые снаряды с вращающимся при бурении керноприемником (ДКС—В) предназначены для отбора керна при бурении пород или полезных ископаемых, легко размываемых промывочной жидкостью, но достаточно устойчивых по отношению к действию механических факторов (вибраций, сил трения и др.). К числу снарядов этого типа относятся ТДВ-1 и ТДВ-2 (конструкции ВИТРа), ДКНТ-ВП-Н (конструкции КазИМСа), ТД (конструкции ПГО «Южноказгеология»), ДОК (конструкции Киргизского ГУ, СКВ ВПО «Союзгеология») и др.

Двойные колонковые снаряды ТДВ-1 и ТДВ-2 предназначены для бурения скважин алмазной коронкой серийного изготовления с промывкой технической водой (ТДВ-1) в связи с небольшой величиной зазора между наружной и внутренней трубами (1,0— 1,5 мм) и глинистым раствором (ТДВ-2). Схема циркуляции жидкости у таких снарядов комбинированная, как показано на рис. 17.8, а стрелками.

Конструкция снаряда ТДВ-1 имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих область применения: керн не полностью защищен от прямого потока жидкости, а при срыве часть его остается на забое, кернорвательное устройство не гарантирует захват кусочков разрушенного керна.

Конструкция ТДВ-2 позволяет использовать снаряд с промывкой глинистым раствором нормальной вязкости, кернорвательное устройство приближено к забою, что уменьшает степень воздействия прямого потока на керн. Но при такой конструкции уменьшился диаметр получаемого керна.

Двойной колонковый снаряд ДКНТ-ВП-Н предназначен для бурения твердосплавными коронками специальной конструкции в породах и полезных ископаемых IV—VIII категорий по буримости, средней трещиноватости и однородных по твердости с промывкой водой или глинистым раствором (рис. 17.8, б). В этой конструкции реализована схема циркуляции жидкости с восходящим потоком (ВП) в керноприемнике путем разделения прямого рабочего потока в коронке на забое за счет подбора рациональных сечений промывочных каналов. Для регулирования объемного расхода жидкости, циркулирующей внутри керноприемника, снаряд снабжен дросселем с обратным клапаном.

Двойной колонковый снаряд ОК70М конструкции СКВ НПО «Геотехника» (рис. 17.9, а) предназначен для получения качественного керна при ударно-вращательном способе бурения с применением гидроударника. Одним из недостатков снаряда является разделение потока промывочной жидкости внутри керноприемного стакана. Прямой поток жидкости, омывающий торец коронки и забой, при этом может размывать и керн, формирующийся в коронке.

Двойной колонковый снаряд с вращающейся внутренней трубой ТДП конструкции ЦНИГРИ (рис. 17i9, б) служит для получения керна при УВБ с применением пневмоударников. Вращение внутренней трубы в этом случае передается ч!ерез специальную шпильку- стопор, а ударная нагрузка гасится с помощью резинового амортизатора, встраиваемого между ударной втулкой и головкой керноприемной трубы.

Двойные колонковые снаряды с невращающимся при бурении кер- ноприелшикам предназначены для отбора керна при бурении в сложных геологических условиях, когда керн разрушается практически под воздействием факторов всех видов, связанных с процессом углубки скважины. Сюда относятся ДКС, работающие без

Рис. 17.8. .Двойные колонковые снаряды с вращающейся внутренней керноприемной трубой: а — ТДВ-2:1 — переходник; 2 — корпус; 3 — головка керноприемника; 4 — шарик-клапан; 5 — наружная труба; 6 — внутренняя труба; 7 — ка- либратор'Цекгратор; «5 — кернорватель; 9 — алмазная коронка; 6 — ДКНТ-ВП-П: I — переходник; 2 — шарик-клапан; 3 — щелевой фильтр; 4,5 — наружная и внутренняя колонковые трубы; б — кольцо регулировочное; 7 — кернозахватывающее устройство проволочного типа; 9 — корпус кернорвателя; 9—твердосплавная коронка

(О к «о о>

циркуляции жидкости в керноприемнике, с обратной схемой циркуляции и комбинированной.

Рис. 17.9. Двойные колонковые снаряды:

а - СЖ70М: / — переходник; 2— наружная труба; J — фильтр; 4, S — внутренние многосекционные трубы; 6 — центратор; 7— кернорватель; S — твердосплавная коронка; 9 —резиновое кольцо; б —ТДП для бурения с пневмоударником: I — упорная втулка; 2 —резиновое кольцо- амортизатор; 3 — головка кернопрнем- ника; •/-шпилька-стопор; 5 — керноприемник; б — наружная труба; 7 — твердосплавная коронка

Двойные колонковые снаряды, работающие без циркуляции потока промывочной жидкости в керноприемнике, предназначены главным образом для бурения сравнительно мягких пород или полезных ископаемых, таких как уголь, фосфориты и др. К этой группе снарядов относятся: ТДН-1, ТДН-2 и ТДН-4 (конструкции ВИТРа); ДКС-У (конструкции ТПИ); ДК-57, ДК-46, ДК-44, ДКТБ-2 (конструкции ПГО «Запсибгеология»), ДКТ (конструкции ПГО «Бу- рятгеология»), Д1 (конструкции ПГО «Южукргеология»); ДК (конструкции ПГО «Севзап геология»); ДТА-2 (конструкции С. Е. Алексеенко); снаряды конструкции Донбасс НИЛ-1; СКБ НПО «Гео

техника» и др. Ниже приведены технические характеристики некоторых типов ДКС с невращающейся внутренней трубой.

Техническая характеристика ДКС с невращающимся керноприемииком

Шифр снаряда ТДК-57А ДК-57Б ДК-44 СКТБ-2 ДКС-У-ТПИ

Диаметр, мм:

БУРЕНИЕ 1

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН 1

I 141

J 141

с 155

с 155

[] 252

G₀ = 0,1 253

1 51

rF%irirrnrsn^Sr^n 51

/_п = / - ft, (24.31) 393

Ш 405

Щк! 405

Двойные колонковые снаряды, как видно из рис. 17.10, имеют подшипниковый узел подвески керноприемной трубы, которая в процессе бурения не должна вращаться, чем и обеспечивается в определенных условиях сохранность керна. Снаряды, снабженные коронками обуривающего типа (рис. 17.10, в, б, в, г), предназначены для отбора керна при бурении в твердых или переслаивающихся по твердости породах. Снаряды с керноприемной трубой, работающей как штамп (рис. 17.10, в), используют при бурении в более мягких, легко разрушающихся под действием механических факторов породах. Таким конструкциям ДКС присущ ряд недостатков. Так, например, по мере заполнения керноприемной трубы жидкость из нее вытесняется по дренажным каналам в полость между колонковыми трубами, что создает дополнительное сопротивление продвигающемуся внутрь керноприемной трубы керновому материалу и приводит к нарушению его структуры, уплотнению и заклиниванию. Ряд снарядов не имеют кернорвательных устройств (ДК-57, ДК-46) или эти устройства не обеспечивают надежного удержания керна (ТДН, ДКТ).

Таким образом, все рассмотренные снаряды этой группы и аналогичные им по конструкции и принципу действия не отвечают полностью предъявляемым к ним требованиям, изложенным ранее: при использовании штампа существенно ограничивается область их применения только в мягких породах или полезных ископаемых; применение кернозахватывающих устройств открытого типа в виде рвательных колец, стальных проволочек или лепестков, а тем более отсутствие кернорвательных устройств не гарантирует надежного захвата и удержания керна во время подъема снаряда; вытеснение жидкости из керноприемника в межтрубное пространство навстречу прямому потоку приводит к дополнительной деформации и са- мозаклиниванию керна и др.

В Томском политехническом институте разработана конструкция универсального снаряда, отвечающая основным требованиям, предъявляемым к керноотборным средствам и учитывающая перечисленные выше недостатки.

«-ТДН-2; б — ДК-57; в—ДК-46; г—ДКГ; 1— коронка; 2 — ксрнорватсчь; 3 — керноприемник; 4 — наружна» труба; 5 — сальниковое уплотнение; б—узел подвески; 7 — переходник

Двойной колонковый снаряд ДКС-У-ТПИ (рис. 17.11) имеет телескопическое устройство, состоящее из двух основных взаимо- подвижных в осевом направлении узлов. Наружный узел состоит из коронки 25 с конусным торцом и четырехгранными резцами, кернорвательного устройства 26 секторного типа, наружной колонковой трубы 14 и корпуса 5. Внутренний узел, соединенный с колонной бурильных труб, включает: керноприемный стакан 24,

керноприемную разрезанную трубу 22 и 23, головку керноприемника 21, корпус 17 с подпятником 19, шариком 1S и контргайкой 20, регулировочный винт 12, шпиндель 8 с запорным золотником 3 и кожух 2 с переходником 1. Наружная колонковая труба на верхнем конце имеет крупную ленточную резьбу (2 нитки на дюйм), что позволяет в случае прихвата коронки или трубы легко отсоединить весь внутренний узел при вращении бурового снаряда в левую сторону. Снаряд на колонне бурильных труб опускают в скважину в сдвинутом (сомкнутом) положении (рис. 17.11,а). Замыкание Наружной и внутренней частей снаряда осуществляется шариком 7, застопоренным в гнезде пробки 6 золотником 3. Керноприемный стакан 24 при этом утоплен, а кернорвательные пластинки 26 спрятаны в зазоре между наружной колонковой трубой и стаканом, что обеспечивает их полную сохранность при спуске и бурении. Перед установкой снаряда на забой подают промывочную жидкость и включают вращение. Поток промывочной жидкости, проходя по каналам, как это показано на рисунке, промывает зазоры между двумя колонковыми трубами и полость керноприемной трубы, что обеспечивает нормальные условия бурения и заполнения ее керном. После того, как снаряд поставлен на забой, по колонне БТ забрасывают шарик 11, перекрывающий доступ промывочной жидкости внутрь керноприемной трубы. Затем на рациональном для данных условий режиме осуществляют бурение полезного ископаемого до заполнения внутренней колонковой трубы керном. По мере заполнения керноприемника керном жидкость из него вытесняется по каналу в регулировочном винте 12 и шпинделе 8 и через отверстие в корпусе 5 в полость скважины.

При бурении таким снарядом создаются наиболее благоприятные условия для сохранения керна с получением достаточно высокой производительности труда. Действительно, мелкорезцовая коронка обеспечивает высокую механическую скорость бурения в породах различной твердости и хорошо центрируется на забое, имеющем форму конуса. При этом достаточно эффективно разбуриваются и пропластки довольно твердых пород, что делает данный снаряд универсальным.

По окончании бурения производят срыв керна. При этом освобождают кернорватель, для чего по колонне бурильных труб забрасывают второй шарик 27, перекрывающий осевой канал. Давлением жидкости, нагнетаемой насосом, золотник 3 опускают вниз, сжимая пружину 9, и шарик 7 выходит из гнезда в пробке 6, западай в кольцевую проточку золотника 3. Этот момент хорошо определяется на поверхности по увеличивающемуся давлению на маноме+ре. Колонна бурильных труб при этом поднимается на 5—7 см, в результате чего поднимается и внутренняя часть снаряда (рис. 17.11, б). Керноприемный стакан освободит кернорвательные пластинки 26, которые подрежут керн и полностью перекроют

выход из снаряда. Этому моменту соответствует падение давления в насосе, что также фиксируется по манометру. Таким образом, процесс заклинивания керна является полностью управляемым и контролируемым. Поток промывочной жидкости устремляется в боковые канала переходника 1, сообщающиеся с полостью скважины. Через эти же каналы сливают промывочную жидкость из колонны бурильных труб во время подъема снаряда на поверхность. В таком положении снаряд замыкается тем же шариком, запираемым в этом случае в кольцевой проточке корпуса 5 золотником 3, возвращаемым в исходное положение пружиной 9. Конструкция шпинделя 8 позволяет передавать вращение снаряду не только во время бурения, но и при подъеме его на поверхность и обеспечивает также осевое перемещение внутренней части относительно наружной. Это достигается за счет наличия шлицевых выступов в шпинделе и канавок в корпусе 5.

Неподвижность внутренней керноприемной трубы при бурении обеспечивается шаровым подпятником и свободным подвешиванием ее на регулировочном винте 12. В данном исполнении конструкция этого узла обеспечивает надежную работу, так как отсутствует возможность его зашламования или заклинивания невра- щающейся части. При этом по мере износа деталей узла положение керноприемного стакана относительно коронки легко регулируется винтом 12 с контргайкой 13. Подпятник 19 при износе легко может быть заменен так же, как и регулировочный винт.

Извлечение керна из керноприемной трубы на поверхности осуществляется очень легко и без какой-либо деформации. Для этого от корпуса отвинчивают наружную колонковую трубу 14 и от головки 21 отсоединяют керноприемную трубу 22, после чего вырезанная половинка трубы 23 отнимается, и керн может быть легко переложен в керновый ящик.

Основными достоинствами снаряда такой конструкции являются: неподвижность внутренней трубы при бурении; надежная защита керна от размывающего действия потока промывочной жидкости и механических сил (вибраций, толчков); возможность бурения на форсированном режиме с проходкой за рейс до 2,0 м при полноценном выходе керна и высокой механической скорости бурения; возможность промывки (очистки от шлама) внутренней трубы перед бурением; вытеснение жидкости из внутренней колонковой трубы в полость скважины без каких-либо клапанов, создающих дополнительные сопротивления; возможность подъема снаряда с вращением и промывкой с полным сохранением керна;

Рис. 17.11. Двойной колонковый снаряд ДКС-У-ТПИ:

1 — переходник; 2 — кожух; 3 — золотник; 4 — сальниковое уплотнение; 5 — корпус; 6— пробка; 7 — шарик; Д —шпиндель; 9 —пружина; 10 — упорная гайка; // — шарик; 12 — регулировочный винт; 13, 20 — контргайки; 14 — колонковая труба; 15 — уплотнитель; 16 —шайба; /7 —корпус подпятника; 1S — опорный шарик; /9 —подпятник; 21 — головка керноприемника; 22, 23 — керноприемники; 24 — стакан; 25 — коронка; 26 — кернорвательные пластины (лепестки); 27 — шарик слив промывочной жидкости из колонны бурильных труб при подъеме снаряда; относительная простота устройств.

Кроме перечисленных общих достоинств к отличительным особенностям снаряда можно отнести: надежное заклинИвание, срыв и удержание керна во время подъема секторным кернорвателем, освобождаемым под давлением жидкости, что хорошо контролируется на поверхности по манометру (при этом кернорватель обеспечивает заклинивание и отрыв от забоя керна как твердых, так и мягких пород, а потеря керна при подъеме с вращением и промывкой практически исключается); надежное фиксирование внутренней и наружной частей снаряда в двух положениях — сдвинутом (при спуске и бурении), раздвинутом (при срыве керна и подъеме), что позволяет без опасения потерять керн, ставить снаряд на забой после срыва керна и вести подъем в наклонной скважине; возможность разбуривания твердых прослойков пород (бурение залежей сложного геологического строения) за счет применения мелкорезцовой коронки конической формы; легкость извлечения керна без нарушения его структуры из внутренней разрезной трубы.

Рекомендуемый режим бурения снарядом по угольным пластам: частота вращения 150—200 об/мин; осевая нагрузка 500—600 даН; расход промывочной жидкости 150—180 л/мин; углубка за рейс 1,5—1,8 м. При встрече породных прослойков или твердых включений осевая нагрузка может быть доведена до 800—1000 даН на коронку. Применяя алмазную коронку, можно вести бурение этим снарядом в крепких трещиноватых породах.

Двойные колонковые снаряды, работающие с обратной схемой циркуляции потока жидкости в керноприемнике, предназначены для бурения сильно трещиноватых пород и полезных ископаемых IV—X категорий по буримости, легко разрушающихся под воздействием механических факторов с частыми самозаклиниваниями керна в керноприемнике, но не размываемых потоком жидкости. Движение обратного потока внутри керноприемника у таких снарядов способствует снижению случаев самозаклинивания керна за счет действия подъемной силы, поддерживающей куски керна во взвешенном состоянии. Реализуется такая схема разделением прямого потока на два обратных* движущихся внутри керноприемника и по внешнему затрубному кольцевому пространству (см. рис. 17-5). Это делается снижением гидравлических сопротивлений в циркуляционных каналах на пути движения внутреннего потока и увеличением сопротивлений на пути внешнего потока. Конструктивно это достигается в данном случае увеличением поперечных сечений циркуляционных каналов движения восходящего потока в узлах ДКС и уменьшением сечения кольцевого зазора в затрубном пространстве за счет увеличения наружного диаметра переходника или ПРИ или пакерных устройств. К снарядам этой группы относятся: ТДН-0, ТДН-УТ (ВИТР), ДКНТ-ВП-0 и ДКНТ-ВП-1 (КазИМС), ЭКС-112 (СКВ НПО «Геотехника») и др. На рис. 17.12 приведены схемы некоторых типов ДКС, а в табл. 17.2 — условия применения снарядов конструкции ВИТРа.

Рис. 17.12. Схемы ДКС с невращающимся керноприемником: о — ТДН-О, б —ТДН-4, в — ДКНТ-ВП-1, г — ДКНТ-ВП-О, 7 — переходник; 2 — шарикоподшипниковая опора; J —шпиндель; «/ — переходник; S — шламосборник; б — колонковая труба; 7 — керноприемник; 5 —корпус кернорватели; 0 — кернозахватывающие проволочки; 10 — коронка

Tim снаряда	Область применения	Промывочная жидкость	Частота вращения, об/мии			Осевая нагрузка, даН			Объемный расход жидкости, л/мин
					Диаметр снаряда, мм
			46	59	46		59	46		59
ТДИ-УТ	Монолитные и слаботре- щиповатые породы VII— XII категорий по буримости	Вода, эмульсии, полимерные растворы	700-1250	700—1000	600—800		600-1200	30-50		30-60
ТДП-2	Трещиноватые и сильно- трещиноватые, малоустойчивые породы VII—XII категорий буримости, подвергающиеся истиранию	Глинистый раствор	700	100	700—1000		600—1400	30-50		30-60
ТДИ-0	Сильнотрещиноватые, раздробленные, бронированные, перемежающиеся по твердости породы V—X категорий по буримости	То же	430	700	800—1000		900-1500	40-60		3—60

Конструкция некоторых из этих снарядов предусматривает возможность реализации также и прямой схемы циркуляции промывочной жидкости путем перекрытия или дросселирования канала для обратной промывки в переходнике.

Двойные колонковые снаряды с комбинированной схемой циркуляции промывочной жидкости внутри керноприсмника типа ТДН-1 предназначены для отбора керна при бурении трещиноватых, нарушенных пород или полезных ископаемых серийными алмазными коронками с промывкой чистой водой в связи с малым сечением межтрубного зазора. Разделение потока в этом случае происходит внутри керноприемника, куда жидкость попадает из межтрубного пространства через специальные отверстия. Недостатки такой схемы, рассмотренные ранее, делают эту конструкцию малопригодной для получения представительного керна в сложных геологических условиях.

Двойные колонковые снаряды с несъемным керноприемником комбинированного действия ЩКС — НсКп — К) предназначаются для отбора керна при бурении в сложных геологических условиях, характеризующихся частым переслаиванием твердых пород и полезных ископаемых невысокой твердости (слабо устойчивых). Принцип действия таких снарядов заключается в том, что внутренняя керноприемная труба при бурении прослойков полезных ископаемых невысокой твердости не вращается и действует, как штамп, а при встрече твердых пород приводится во вращение и выбуривает керн (см. рис. 17.3, д). При этом предполагается, что такая конструкция в этих условиях позволит решить вопрос получения качественного керна. Однако при вращении керноприемника, заполняемого керном твердых пород и слабоустойчивого полезного ископаемого, в периоды бурения по твердым прослойкам приведет, безусловно, к механическому разрушению (истиранию) слабоустойчивого полезного ископаемого. При этих условиях, если и удастся сохранить количество материала, то сохранность его структуры не будет обеспечена, вследствие чего теряется смысл применения ДКС такой сложной конструкции.