RU28179U1 - Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений - Google Patents

Description

МПК:E2IB 49/02

GOl N1/08

МНОГОУДАРНЫЙ ВАКУУМНО-ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРОБООТБОРНИК ДОННБ1Х ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относитея к устройствам, предназначенным для производства морских геологоразведочных работ преимущественно в зоне континентального шельфа.

Известен многоударный пневматический пробоотборник донных отложений, содержащий колонковую трубу и пневмоударный механизм (см. Шелковников И.Г. и др. Пробоотборник ударного действия для разведки морских россьшей. - Разведка и охрана недр, 1977, ХеЗ).

Недостаток этого пробоотборника - небольшая длина отбираемой колонки которую ограничивает трение грунта о внутреннюю стенку колонковой трубы. Для пробоотборников, не имеющих специальных средств, исключающих это трение, максимальная длина рейса в песчаных и пылевато-глинистых грунтах не должна превышать 0.7 м (см. ГОСТ 12071-84 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.). В случаях превышения указанного предела возможна закупорка

колонки в трубе, после чего они внедряются как одно целое (как свая), продавливая исследуемый иласт без отбора пробы (возникает так называемый свайный эффект).

Одним из наиболее эффективных средств устранения свайного эффекта является устройство, создающее в момент внедрения вакуум в кернонриемной полости. Трение колонки зависит от веса ее частиц, который передается от верхних слоев нижним и создает боковое давление на стенку колонковой трубы. Промежутки между частицами заполнены поровой водой, давление которой равно гидростатическому в точке отбора пробы. Вакуум над отбираемой колонкой приводит к возникновению восходящего фильтрационного потока поровой воды, давление которого, направленное против силы тяжести, может полностью нейтрализовать вес частиц, а, следовательно, устранить трение колонки о трубу. Грунт, подверженный восходящей фильтрации, превращается в плывун. При этом уменьшается не только трение колонки, но и лобовое сопротивление грунта под наконечником колонковой трубы, что способствует увеличению глубины внедрения пробоотборника и предельной длины отбираемой колонки грунта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений (принятый за прототип), содержащий колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости, ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней порщнем для периодического вьшуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленное вверх реактивное сонло (авт. св. СССР № 608920, опубл. 30. 05. 78). Внедрение пробоотборника происходит за счет импульсов реактивной силы (ударов), возникающих при вскрьггии пневмокамеры. Для вакуумирования керноприемной полости используется гидродинамическая кавитация, сопровождающая процесс выталкивания сжатым воздухом воды из реактивного сопла: над соплом образуется кавитационная полость (вакуумный пузырь), куда и отсасывается вода из колонковой трубы, верхний торец которой расположен выще сопла. Диаметр кавитационной полости, ее расстояние от реактивного сопла и время существования зависят от ряда параметров: давления и объема воздуха в пневмокамере, глубины погружения пробоотборника, размеров сопла и др. (см. Штефан Б.А. Пневмогидравлические источники для морской сейсморазведки и сейсмоакустики. Геленджик: ГП НИПИокеангеофизика, 2001).

В известном пробоотборнике вакуумирование керноприемной полости не связано с величиной проходки за удар. Даже если внедрение прекратилось или резко уменьшилось (например, при вхождении трубы в плотный галечный пласт), вакуумное

устройство продолжает работать синхронно с ударным, вследствие чего возможен размыв уже отобранной колонки избыточной фильтрацией воды. Недостатком пробоотборника является также большие габариты и вес ударного устройства вследствие концентричного расположения его относительно колонковой трубы. Большой вес головной части пробоотборника требует применения тяжелых и громоздких устройств для обеспечения его вертикальной стабилизации на дне, что усложняет эксплуатацию пробоотборника на небольших геологоразведочных судах.

В известном пробоотборнике периодический выпуск сжатого воздуха из пневмокамеры происходит при достижении давления самоподрыва, величина которого определена разностью диаметров ступеней поршня и регулировке не поддается. После падения давления воздуха в ресивере, питаюпцем пневмокамеру, ниже давления самоподрыва работа ударного механизма прекращается. При работах в мелководной зоне шельфа с небольших плавсредств (катера, понтоны), не имеюших собственного компрессора, необходимость частых дозаправок ресивера на плавбазе или от берегового компрессора увеличивает эксплуатационные затраты.

Предлагаемая полезная модель позволяет улучшить качество отбираемых проб, уменьшить вес и габариты пробоотборника.

Технический результат достигается тем, что в многоударном вакуумнопневматическом пробоотборнике донных отложений, содержанием колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости, ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней поршнем для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленное вверх реактивное сопло, устройство вакуумирования керноприемной полости содержит закрепленный на верхнем конце колонковой трубы цилиндр с размеш,енным в нем поршнем, диаметр которого больше внутреннего диаметра колонковой трубы, вмонтированный в поршень обратный клапан, пропускающий воду из керноприемной полости в надпоршневую полость цилиндра, тормозной диск, размещенный концентрично цилиндру и прикрепленный к поршню пальцами, установленными с возможностью скольжения вдоль пазов, сделанных в стенке цилиндра, причем пневмокамера закреплена на верхнем конце цилиндра.

Предлагаемая полезная модель позволяет также снизить эксплуатационные затраты за счет более полного использования энергии источника сжатого воздуха. Это достигается тем, что ударный механизм снабжен регулируемым подрывным клапаном, сообщающим полость пневмокамеры с выхлопным отверстием.

На чертеже показана схема многоударного вакуумно-пневматического пробоотборника.

Пробоотборник содержит колонковую трубу 1 и устройство вакуумирования керноприемной полости 2, снабженное закрепленным на верхнем конце колонковой трубы цилиндром 3 с размещенным в нем поршнем 4, диаметр которого больше внутреннего диаметра колонковой трубы. В поршень 4 вмонтирован обратный клапан 5, пропускающий воду из керноприемной полости 2 в надпоршневую полость 6 цилиндра. Концентрично последнему размещен тормозной диск 7, прикрепленный к поршню 4 пальцами 8, установленными с возможностью скольжения вдоль пазов 9, сделанных в стенке цилиндра.

Ударный механизм пробоотборника выполнен в виде пневмокамеры 10, закрепленной на верхнем конце цилиндра 3. В пневмокамере установлен поршень 11 для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия 12 пневмокамеры в направленное вверх реактивное сопло 13. Ударный механизм снабжен регулируемым подрывным клапаном 14, который вмонтирован либо в поршень 11, как показано на схеме, либо в стенку пневмокамеры (на схеме не показано). Подрывной клапан 14 сообщает отверстиями 15 и 16 полость пневмокамеры 10 с выхлопным отверстием 12.

Поршень 11 сделан трехступенчатым с разными диаметрами ступеней: средняя ступень 17 больше тормозной ступени 18, а та, в свою очередь, больше выхлопной ступени 19. Сжатый воздух подается по шлангу 20 в канал 21, имеющий выход в полость пневмокамеры 10, ограниченную средней 17 и тормозной 18 ступенями. Вертикальность пробоотборника на дне обеспечивает опорное кольцо 22, свободно одетое на колонковую трубу 1. Петлей 23 пробоотборник подсоединен к тросу судовой лебедки.

Работает пробоотборник следующим образом. Перед погружением пробоотборника на дно подрывной клапан 14 настраивают на срабатывание при определенном давлении воздуха в пневмокамере 10. Если обеспечивающее судно имеет компрессор достаточной производительности, то давление срабатывания устанавливают максимальным (обычно на 20-30% меньше давления воздуха, нагнетаемого компрессором в ресивер). При этом возможна работа без подрьгеного клапана, используя самоподрыв за счет разности диаметров тормозной 18 и выхлопной 19 ступеней поршня 11. При работе с небольших плавсредств, не имеющих собственного компрессора, для более полного использования энергии сжатого воздуха в ресивере, подрывной клапан 14 настраивают на срабатывание при давлении воздуха в

пневмокамере 10 меньше максимального, учитывая нри этом остаточное давление воздуха в ресивере, преднолагаемую плотность грунта, глубину моря.

После посадки пробоотборника на дно открывают вентиль ресивера, подавая сжатый воздух по шлангу 20 и каналу 21 в полость пневмокамеры 10, ограниченную средней 17 и тормозной 18 ступенями поршня 11. Из-за небольшой разности диаметров этих ступеней поршень 11 перемешается вверх, закрывая отверстие 12 пневмокамеры выхлопной ступенью 19. Сжатый воздух заполняет рабочую полость пневмокамеры, повышая в ней давление до величины самоподрыва, либо до величины срабатывания подрывного клапана 14, который открывает доступ сжатому воздуху по отверстиям 15 и 16 в выхлопное отверстие 12. Под действием неуравновешенного давления поршень И отбрасывается в крайнее нижнее положение (показано на схеме), открывая выхлопное отверстие 12. Расширяясь сжатый воздух выталкивает заполш юш;ую сопло 13 воду вверх, создавая импульс реактивной силы (удар), толкающий пробоотборник вниз. После выхлопа воздуха давление над поршнем 11 сравнивается с окружаюш;им и он вновь под постоянно действующей на его среднюю 17 и тормозную 18 ступени разности давлений поднимается вверх, закрывая выхлопное отверстие 12. Цикл повторяется.

При импульсных перемещениях пробоотборника поршень 4 практически остается на месте вследствие торможения диска 7 о воду. При этом под порщнем 4 образуется вакуум, объем которого из-за разности диаметров цилиндра 3 и колонковой трубы 1 на 10-20% больше объема породы, поступившей в керноприемную полость 2. Небольшой избыточный вакуум над отбираемой колонкой ослабляет грунт внутри колонковой трубы и под ее наконечником до состояния плывуна, увеличивая глубину внедрения и предельную длину отбираемой колонки. Во время паузы между ударами тормозной диск 7 под действием собственного веса и веса присоединенных к нему деталей опускается вниз, выталкивая излишек воды из керноприемной полости 2 в надпоршневую полость 6. Оттуда вода при очередном ударе выталкивается через отверстия 9 в гидросферу. В предложенной конструкции обеспечивается саморегуляция создаваемого объема вакуума, его зависимость от проходки за удар. Если работа ударного механизма продолжается, а проходки нет (это может случиться при вхождении трубы в галечный пласт или в коренные породы), вакуум в керноприемной полости не образуется, благодаря чему уже отобранная колонка предохраняется от разрушения избыточной фильтрацией воды.

Claims (2)

1. Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений, содержащий колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости, ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней поршнем для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленное вверх реактивное сопло, отличающийся тем, что устройство вакуумирования керноприемной полости содержит закрепленный на верхнем конце колонковой трубы цилиндр с размещенным в нем поршнем, диаметр которого больше внутреннего диаметра колонковой трубы, вмонтированный в поршень обратный клапан, пропускающий воду из керноприемной полости в надпоршневую полость цилиндра, тормозной диск, размещенный концентрично цилиндру и прикрепленный к поршню пальцами, установленными с возможностью скольжения вдоль пазов, сделанных в стенке цилиндра, причем пневмокамера закреплена на верхнем конце цилиндра.

2. Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений по п.1, отличающийся тем, что ударный механизм снабжен регулируемым подрывным клапаном, сообщающим полость пневмокамеры с выхлопным отверстием.