RU2107148C1

RU2107148C1 - Core breaker

Info

Publication number: RU2107148C1
Application number: RU96111523/03A
Authority: RU
Inventors: Ярослав Сергеевич Гаврилов; Ua]; Ярослав Васильевич Кунцяк; к Ярослав Васильевич Кунц; Юрий Васильевич Дубленич
Original assignee: Научно-исследовательское и конструкторское бюро бурового инструмента
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-03-20

Abstract

FIELD: oil and gas production industry. SUBSTANCE: this relates to drilling equipment and particularly to devices for breaking and holding core during drilling of bore-holes. Core breaker has holder with slots located at different levels, and two groups of levers of different length with turning rolls and cutting faces. Longer levers of them are located in slots of lower level, shorter levers are located in slots of upper level. Angle between front cutting face of long lever and line connecting axis of roll of this lever and its cutting face, and distance in vertical plane between axes of turning rolls are determined according to following expression: γ_l=γ_s+arcsin a/l_s-arcsin a/l_l;, where

- angle between front cutting face of long lever and line connecting axis of roll of this lever with its cutting face, deg.; γ_l - distance in vertical plane between axes of turning rolls, mm; γ_s - angle between front cutting face of short lever and line connecting axis of roll of this lever with its cutting face, deg.; a - distance from axis of roll to generating line of core, mm; l_l,l_s - distance from axis of roll to cutting face of long and short levers respectively, mm. Levers are also spring-loaded by resilient members which are installed on turning axles for possible creation of forces which are directly proportional to length of levers. EFFECT: higher efficiency. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для отрыва и удержания керна при бурении скважин. The invention relates to drilling equipment, and in particular to devices for tearing and holding the core when drilling wells.

Широко известны рычажковые кернорватели, состоящие из корпуса и обоймы с пазами, размещенными на одном ярусе, в которых на поворотных валиках установлены подпружиненные рычажки различной длины (П.А.Палий, К.Е.Корнеев. Буровые долота. М.: Недра, с. 296). Widely known are lever core cutters consisting of a body and a holder with grooves located on one tier, in which spring-loaded levers of various lengths are installed on the rotary rollers (P.A. Paliy, K.E. Korneev. Drill bits. M .: Nedra, s . 296).

Недостатком таких конструкций является то, что более длинные и более короткие рычаги взаимодействуют с керном в различных его сечениях и при различных углах между передней режущей гранью рычагов и образующей керна, причем короткие рычаги под воздействием пружин оказывают большее удельное давление на керн, чем длинные, в связи с меньшей их длиной (плечом). The disadvantage of such designs is that longer and shorter levers interact with the core in its various sections and at different angles between the front cutting edge of the levers and the core core, and short levers under the influence of springs exert a greater specific pressure on the core than long ones connection with their shorter length (shoulder).

Все это приводит к тому, что при взаимодействии с керном твердых пород все усилия по его отрыву и удержанию воспринимаются только короткими рычагами, имеющими лучшие условия для внедрения в керн. Длинные рычаги в таком кернорвателе только проскальзывают по поверхности керна твердых пород, а после отрыва керна короткими рычагами не могут участвовать в его удержании, так как внутренняя полость обоймы заполнена породой, что препятствует принятию длинными рычагами горизонтального положения. Все это может привести к слому коротких рычагов, снижению надежности кернорвателя и как следствие к уменьшению процента выноса керна. All this leads to the fact that, when interacting with hard rock core, all efforts to break it and hold it are perceived only by short levers that have better conditions for penetration into the core. Long levers in such a core raiser only slip over the core surface of hard rock, and after tearing the core with short levers, they cannot participate in its retention, since the inner cavity of the cage is filled with rock, which prevents the long levers from adopting a horizontal position. All this can lead to a breakdown of short levers, a decrease in the reliability of the core explorer and, as a result, to a decrease in the percentage of core removal.

Более прогрессивными являются кернорватели, короткие и длинные рычаги которых взаимодействуют с керном в одном его сечении. Kernor-breakers are more progressive, the short and long levers of which interact with the core in one of its sections.

Наиболее близким из таких кернорвателей к предлагаемому техническому решению является кернорватель, содержащий обойму с пазами на разных ярусах и две группы рычагов разной длины с поворотными валиками и режущими гранями, более длинные из которых расположены в пазах нижнего, а более короткие - в пазах верхнего ярусов, причем расстояние между осями валиков рычагов, расположенных на смежных ярусах, меньше расстояния между режущей кромкой длинного рычага и осью его валика /авт. св. СССР N 1093788, M⁵ кл. E 21 B 25/14, 1984, БИ N 18/.The closest of such core cutters to the proposed technical solution is a core breaker containing a holder with grooves on different tiers and two groups of levers of different lengths with rotary rollers and cutting faces, the longer of which are located in the grooves of the lower and the shorter ones in the grooves of the upper tiers, moreover, the distance between the axes of the rollers of the levers located on adjacent tiers is less than the distance between the cutting edge of the long lever and the axis of its roller / ed. St. USSR N 1093788, M ⁵ cl. E 21 B 25/14, 1984, BI N 18 /.

Недостатком такого кернователя является то, что длинные и короткие рычаги внедряются в керн не одновременно, а последовательно в связи с различными углами между передней режущей гранью и образующей керна у длинных и коротких рычагов. Первоначально в керн углубляются только короткие рычаги, длинные же вступают в работу, только попадая в кольцевую трещину, образующуюся на керне под воздействием усилий от коротких рычагов. Такой принцип действия приводит к тому, что при отрыве от забоя керна твердых хрупких пород весьма высока вероятность того, что все усилие отрыва будет восприниматься только короткими рычагами, так как образование кольцевой трещины в хрупком керне происходит одновременно с отделением его от массива горной породы и если в этот момент режущие грани длинных рычагов окажутся выше или ниже образовавшейся трещины, то работа их будет неэффективна. Более того, конструкция упомянутого кернорвателя в принципе предлагает возможность наличия таких "мертвых" зон, в которых данный механизм отрыва керна не может быть реализован, так как условие l_д > h (где l_д - расстояние между режущей гранью длинного рычага и осью валика, h - расстояние между осями валиков рычагов, расположенных на смежных ярусах) является необходимым, но недостаточным. Действительно, при L_д > h > l_дcos δ_д (где δ_д - угол встречи длинного рычага с образующей керна) режущая грань длинного рычага будет контактировать с образующей керна всегда ниже грани короткого, даже при занятии последним горизонтального положения.The disadvantage of such a core is that long and short levers are not inserted into the core simultaneously, but sequentially in connection with different angles between the front cutting face and the core generatrix of long and short levers. Initially, only short levers deepen into the core, while long levers come into operation only when they fall into the annular crack formed on the core under the influence of forces from short levers. This principle of operation leads to the fact that when the brittle core is torn apart from the bottom, the probability is very high that the entire tearing force will be perceived only by short levers, since the formation of an annular crack in a brittle core occurs simultaneously with its separation from the rock mass and if at this moment, the cutting edges of the long levers are higher or lower than the crack that has formed, their work will be ineffective. Moreover, the design of the mentioned core breaker in principle offers the possibility of the presence of such “dead” zones in which the given core separation mechanism cannot be implemented, since the condition l _d > h (where l _d is the distance between the cutting face of the long lever and the axis of the roller, h - the distance between the axes of the rollers of the levers located on adjacent tiers) is necessary, but insufficient. Indeed, for L _d >h> l _d cos δ _d (where δ _d is the angle between the long lever and the core generator), the cutting edge of the long lever will contact the core generator always below the short edge, even if it occupies the horizontal position last.

При l_дcosδ_д> l_кcosδ_к+h, , т.е. при

,
где
l_к - расстояние между режущей гранью короткого рычага и осью его валика;
δ_к - угол встречи короткого рычага с образующей керна
контакт режущей грани длинного рычага с образующей керна будет выше контакта с ней грани короткого рычаг и работа данного кернорвателя в этом случае будет аналогична работе рассмотренной выше одноярусной конструкции со всеми присущими ей недостатками.For l _d cosδ _d > l _to cosδ _to + h, i.e. at

,
Where
l _to - the distance between the cutting face of the short lever and the axis of its roller;
δ _to - the angle of the short arm with the core core
the contact of the cutting edge of the long lever with the core core will be higher than the contact with the face of the short lever and the operation of this core explorer in this case will be similar to the work of the single-tier construction discussed above with all its inherent disadvantages.

Все это приводит к перегрузке и слому коротких рычагов, а, следовательно, потерям керна при бурении в твердых хрупких горных породах. All this leads to overloading and breaking of short levers, and, consequently, core losses during drilling in hard brittle rocks.

Задачей изобретения является создание кернорвателя, позволяющего повысить надежность работы в твердых хрупких породах за счет возможности одновременного внедрения рычагов в керн в одной и той же плоскости. The objective of the invention is the creation of a core breaker, which allows to increase the reliability of work in brittle brittle rocks due to the possibility of simultaneous introduction of levers into the core in the same plane.

Для этого в кернорвателе, содержащем обойму с пазами на разных ярусах и две группы рычагов разной длины с поворотными валиками и режущими гранями, более длинные из которых расположены в пазах нижнего, а более короткие - в пазах верхнего ярусов, угол между передней режущей гранью длинного рычага и линией, соединяющей ось валика этого рычага с его режущей гранью и расстояние в вертикальной плоскости между осями поворотных валиков определяют в соответствии с выражением
γ_д= γ_к+arcsin a/l_к-arcsin a/l_д, ,

,
где
γ_д - угол между передней режущей гранью длинного рычага и линией, соединяющей ось валика этого рычага с его режущей гранью, град.;
h - расстояние в вертикальной плоскости между осями поворотных валиков, мм;
γ_к - угол между передней режущей гранью короткого рычага и линией, соединяющей ось валика этого рычага с его режущей гранью, град;
a - расстояние от оси валика до образующей керна, мм;
l_д, l_к - расстояние от оси валика до режущей грани соответственно в длинных и коротких рычагах, мм.To do this, in a core drill containing a holder with grooves on different tiers and two groups of levers of different lengths with rotary rollers and cutting faces, the longer of which are located in the grooves of the lower and the shorter ones in the grooves of the upper tiers, the angle between the front cutting face of the long lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting face and the distance in the vertical plane between the axes of the rotary rollers is determined in accordance with the expression
γ _d = γ _k + arcsin a / l _k -arcsin a / l _d ,,

,
Where
γ _d - the angle between the front cutting face of the long lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting face, deg .;
h is the distance in the vertical plane between the axes of the rotary rollers, mm;
γ _to - the angle between the front cutting face of the short lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting face, deg;
a is the distance from the axis of the roller to the core core, mm;
l _d , l _k - the distance from the axis of the roller to the cutting face, respectively, in long and short levers, mm

Рычаги подпружинены упругими элементами, установленными на поворотных валиках с возможностью создания усилий прямо пропорционально длине рычагов. The levers are spring-loaded with elastic elements mounted on rotary rollers with the possibility of creating forces directly proportional to the length of the levers.

Такое выполнение кернорвателя обеспечивает выход режущих граней коротких и длинных рычагов на боковую поверхность керна в одном и том же его сечении, причем основной геометрический параметр, определяющий эффективность внедрения режущего элемента в керн - угол между передней режущей гранью и образующей керна - будет для всех рычагов одинаковым. Этим достигаются идентичные условия взаимодействия рычагов с керном, а последовательно одновременное их внедрение в него в одном и том же сечении. В результате усилия отрыва керна распределяются между всеми рычагами, что повышает эффективность работы кернорвателя, его надежность и в конечном итоге вынос керна. This embodiment of the core breaker ensures that the cutting edges of the short and long levers exit to the side surface of the core in the same section, and the main geometric parameter that determines the effectiveness of introducing the cutting element into the core — the angle between the front cutting face and the core core — will be the same for all levers . This achieves identical conditions for the interaction of levers with the core, and sequentially their simultaneous introduction into it in the same section. As a result, the efforts of core separation are distributed between all levers, which increases the efficiency of the core explorer, its reliability and, ultimately, core removal.

Упругие элементы устанавливаются на поворотных валиках рычагов и подбираются (путем варьирования упругими свойствами материалов, числом упругих элементов, их размерами и т.д.) таким образом, что развиваются усилия, прямо пропорциональные длине рычагов. Так обеспечивается равенство для всех рычагов основного силового параметра, определяющего эффективность внедрения режущего элемента в породу - удельного давления режущей грани на керн. Это также гарантирует идентичность условий взаимодействия коротких и длинных рычагов с керном. В результате достигается распределение усилий по отрыву керна между всеми рычагами, повышение надежности работы кернорвателя, повышение выноса керна. The elastic elements are mounted on the rotary rollers of the levers and are selected (by varying the elastic properties of the materials, the number of elastic elements, their sizes, etc.) in such a way that forces develop that are directly proportional to the length of the levers. This ensures equality for all levers of the main power parameter that determines the effectiveness of the introduction of the cutting element into the rock - the specific pressure of the cutting edge on the core. It also guarantees the identical conditions for the interaction of short and long levers with the core. As a result, the distribution of core separation efforts between all levers is achieved, increasing the reliability of the core explorer, increasing core removal.

На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый кернорватель; на фиг. 3 - схема взаимодействия рычагов с керном в момент его захвата. In FIG. 1 and 2 show the proposed core core; in FIG. 3 is a diagram of the interaction of levers with a core at the time of its capture.

Кернорватель содержит обойму 1 с пазами 2. В пазах размещены короткие и длинные 4 рычаги на разных ярусах. Рычаги 3 и 4 имеют поворотные валики 5 и режущие грани 6. На поворотных валиках 5 установлены упругие элементы 7, подпружинивающие рычаги 3 и 4. The core breaker contains a clip 1 with grooves 2. Short and long 4 levers on different tiers are placed in the grooves. The levers 3 and 4 have rotary rollers 5 and cutting edges 6. On the rotary rollers 5 are installed elastic elements 7, spring-loaded levers 3 and 4.

Работа кернорвателя осуществляется следующим образом. The core breaker is as follows.

После окончания формирования керна начинается подъем керноотборного инструмента. При этом кернорватель движется относительно керна. Вследствие взаимосвязи параметров l_д, l_к, γ_к , a (задаются конструктивно) с параметрами h и γ_д (рассчитываются по заявляемым зависимостям) рычаги кернорвателя 3 и 4 вступают в контакт с керном в одном и том же его горизонтальном сечении, причем углы между передней режущей кромкой образующей керна для всех рычагов одинаковы. Таким образом создаются идентичные условия для внедрения рычагов в керн как с геологической точки зрения - режущие грани взаимодействуют с одним и тем же пропластком породы (это особенно существенно при бурении в перемежающихся по физико-механическим свойствам породах), так и с технической - угол β для всех рычагов одинаков, а при использовании упругих элементов 7 последние создают удельное давление режущих кромок на керн, также одинаковое для всех рычагов. Благодаря этому в первый момент все рычаги внедряются в керн одновременно и разрушают его в одном поперечном сечении. При это усилие отрыва распределяется между всеми рычагами, чем обеспечивается надежность отрыва керна от забоя и снижается вероятность поломки рычагов.After completion of core formation, the lifting of the core sampling tool begins. In this case, the core explorer moves relative to the core. Due to the interconnection of the parameters l _d , l _k , γ _k , a (set constructively) with the parameters h and γ _d (calculated according to the claimed dependences), core levers 3 and 4 come into contact with the core in the same horizontal section, and the angles between the leading cutting edge of the core core for all levers are the same. In this way, identical conditions are created for the introduction of levers into the core both from a geological point of view - the cutting faces interact with the same rock layer (this is especially important when drilling in rocks interspersed according to the physicomechanical properties), and from the technical one - the angle β for all levers are the same, and when using elastic elements 7, the latter create a specific pressure of the cutting edges on the core, which is also the same for all levers. Due to this, at the first moment, all levers are introduced into the core simultaneously and destroy it in one cross section. In this case, the separation force is distributed between all levers, which ensures the reliability of core separation from the bottom and reduces the likelihood of damage to the levers.

В твердых хрупких породах скол керна происходит даже при незначительном углублении в него рычагов, поэтому, первоначально внедрившись в керн в одном его сечении, рычаги 3 и 4, проворачиваясь на поворотных валиках 5 по мере продвижения кернорвателя вверх, открывают керн в этом сечении до того, как их режущие грани 6 разойдутся на существенную величину. Если же последнее произойдет (при недостаточной хрупкости породы), то длинные рычаги 4 будут уже внедренными в породу, станут оказывать преимущественно растягивающее, а короткие 3 - растягивающе-скалывающее воздействие на керн вплоть до его отрыва. In hard brittle rocks, the core is chipped even with a slight deepening of the levers in it, therefore, having initially penetrated the core in one section, levers 3 and 4, turning on the rotary rollers 5 as the core drill moves up, open the core in this section before how their cutting edges 6 will diverge by a significant amount. If the latter happens (with insufficient brittleness of the rock), then the long levers 4 will already be embedded in the rock, will have a predominantly tensile, and short 3 levers - tensile-cleaving effect on the core until it breaks off.

После отрыва керна основное усилие по удержанию керна воспринимают короткие рычаги 3, а длинные 4 перекрывают керноприемное отверстие, предотвращая потерю мелкообломочного кернового материала. After the core has been torn off, the main effort to retain the core is taken up by the short levers 3, and the long 4 block the core receiving hole, preventing the loss of finely fragmented core material.

Для определения параметров γ_д и h рассмотрим схему (фиг. 3). Из нее следует, что γ_д= γ_к+δ_к-δ_д. . Из Δ АЕД и Δ ВЕС видно, что АД/АЕ - sinδ_к; ВС/ВЕ = sinδ_д. .To determine the parameters γ _d and h consider the scheme (Fig. 3). It follows from it that γ _d = γ _k + δ _k -δ _d . . From Δ AED and Δ BEC it is clear that HELL / AE is sinδ _k ; BC / BE = sinδ _d . .

Учитывая, что АД = ВС = a, АЕ = l_к и ВЕ = l_д, имеем γ_д= γ_к+arcsin a/l_к-arcsin a/l_д..Given that HELL = BC = a, AE = l _to and BE = l _d , we have γ _d = γ _to + arcsin a / l _to -arcsin a / l _d ..

Из АЕД и ВЕС также получаем, что = СЕ - ДЕ или

, следовательно,

.From AED and WEIGHT we also obtain that = CE - DE or

, hence,

.

Таким образом, предлагаемый кернорватель обеспечивает повышение надежности за счет распределения усилия отрыва керна между всеми рычагами путем одновременного внедрения вех рычагов в керн в одном и том же его поперечном сечении, тем самым повышая и качество геологоразведочных работ. Thus, the proposed core explorer provides increased reliability due to the distribution of the efforts of core separation between all levers by simultaneously introducing the leverage into the core in the same cross section, thereby improving the quality of exploration work.

Claims

1. Core drill containing a holder with grooves on different tiers and two groups of levers of different lengths with rotary rollers and cutting faces, the longer of which are located in the grooves of the lower and shorter ones in the grooves of the upper tiers, characterized in that the angle between the front cutting the edge of the long lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting edge and the distance in the vertical plane between the axes of the rotary rollers, is determined in accordance with the expression
γ _d = γ _k + arcsin a / l _k -arcsin a / l _d ;

where γ _d is the angle between the front cutting face of the long lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting face, deg .;
h is the distance in the vertical plane between the axes of the rotary rollers, mm;
γ _to - the angle between the front cutting face of the short lever and the line connecting the axis of the roller of this lever with its cutting face, deg .;
a is the distance from the axis of the roller to the core core, mm;
l _d and l _to - the distance from the axis of the roller to the cutting face, respectively, in long and short levers, mm

2. Kernorovatel according to claim 1, characterized in that the levers are spring-loaded with elastic elements mounted on rotary rollers with the possibility of creating forces directly proportional to the length of the levers.