RU42063U1

RU42063U1 - Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений

Info

Publication number: RU42063U1
Application number: RU2004125726/22U
Authority: RU
Inventors: Ю.Л. Гаранько
Original assignee: Гаранько Юрий Леонидович
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2004-11-20

Abstract

Использование: инженерно-геологическая мелко- и среднемасштабная съемка; изыскания под морские каналы и траншеи для трубопроводов; подготовка площадок для строительства морских нефтегазодобывающих комплексов; поиск морских россыпей полезных ископаемых; изыскания строительных материалов; изучение современных геологических процессов: экологический мониторинг. Сущность: увеличение энергии единичного удара; увеличение глубины внедрения в плотные песчано-глинистые отложения; увеличение надежности работы устройства вакуумирования керноприемной полости; автоматическая остановка работы ударного механизма при достижении заданной глубины внедрения колонковой трубы. Технический результат: внутри ствола установлен повторяющий его форму боек, взаимодействующий с поршнем пневмокамеры и прикрепленный к фланцу, связанному тягами, пропущенными сквозь тормозной диск, с грузом, установленным над опорным кольцом на расстоянии, равном заданной глубине внедрения колонковой трубы. На тягах над тормозным диском с упором в него закреплены втулки.

Description

Полезная модель относится к технике морской геологоразведки, а более конкретно, к морским колонковым пробоотборникам, предназначенным для использования в следующих работах:

- инженерно-геологическая мелко- и среднемасштабная съемка;

- изыскания под морские каналы и траншеи для трубопроводов;

- подготовка площадок для строительства морских нефтегазодобывающих комплексов;

- изыскания для постановки якорей полупогружных буровых установок;

- выявление микрорельефа скальных и полускальных пород, залегающих в непосредственной близости от поверхности дна;

- поиск морских россыпей полезных ископаемых;

- изыскания строительных материалов;

- изучение современных геологических процессов, гидрохимического и газового состава приповерхностных грунтов, экологический мониторинг.

Известен 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 сопло [1].

Недостатком известного пробоотборника является ненадежность работы устройства вакуумирования керноприемной полости: объем создаваемого вакуума не связан с величиной проходки за удар, что ухудшает качество отбираемого керна.

Наиболее близким из известных является многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений (принятый за прототип), содержащий установленную в опорном кольце колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости. включающее 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 на верхнем конце цилиндра закреплен ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней поршнем для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленный вверх ствол, выполненный в виде расширяющегося конуса [2].

При выхлопе сжатого воздуха и воды из ствола создается импульс реактивной силы (удар), толкающий пробоотборник вниз. Величина реактивной силы вытекающей струи «равна двойной разности между внутренним и внешним гидростатическим давлением на площадь отверстия...» [3]. При импульсных перемещениях пробоотборника устройство вакуумирования создает в керноприемной полости вакуум, объем которого на 10-20% больше объема породы, поступившей в керноприемную полость. Небольшой избыточный объем вакуума способствует увеличению глубины внедрения пробоотборника. Во время паузы между выхлопами воздуха тормозной диск под действием веса (собственного и прикрепленного к нему поршня) опускается вниз, выталкивая воду из керноприемной полости в надпоршневую полость цилиндра.

Недостатки прототипа следующие:

1) низкая энергия единичного удара из-за того, что значительная часть энергии выброшенных из ствола воды и сжатого воздуха безвозвратно теряется;

2) дополнительное уменьшение энергии единичного удара при опробовании в зоне предельного мелководья (в транзитной зоне), когда ударный механизм выступает над поверхностью воды: реактивная сила от выброса одного воздуха уменьшается в несколько раз:

3) небольшая глубина внедрения в относительно плотные песчано-глинистые отложения (внедрение прекращается с момента, когда величина силы сопротивления внедрению, равная сумме лобового сопротивления грунта под колонковой трубой и трения грунта по ее боковой поверхности, становится равной величине импульса реактивной силы);

4) ненадежность работы устройства вакуумирования: при большой частоте ударов тормозной диск не успевает во время паузы между ударами опуститься в нижнее исходное положение;

5) отсутствует автоматическая остановка ударного механизма при достижении заданной глубины внедрения колонковой трубы, в результате чего скважина либо не добуривается (оператор раньше времени выключает подачу сжатого воздуха в пневмокамеру), либо, наоборот, оператор наносит излишнее количество ударов, забивая колонковую трубу в опорное кольцо и создавая тем самым аварийную ситуацию.

Сущностью заявляемой полезной модели является возможность увеличить энергию единичного удара, увеличить глубину внедрения в плотные песчано-глинистые отложения, увеличить надежность работы устройства вакуумирования при большой частоте ударов; автоматически остановить работу ударного механизма при достижении заданной глубины внедрения колонковой трубы.

Технический результат достигается тем, что в многоударном вакуумно-пневматическом пробоотборнике донных отложений, содержащем установленную в опорном кольце колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости, включающее 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.

На верхнем конце последнего закреплен ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней поршнем для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленный вверх ствол, выполненный в виде расширяющегося конуса.

Внутри ствола установлен повторяющий его форму боек, взаимодействующий с поршнем пневмокамеры и прикрепленный к фланцу, связанному тягами, пропущенными сквозь тормозной диск, с грузом, установленным над опорным кольцом на расстоянии Н, равном заданной глубине внедрения колонковой трубы. На тягах над тормозным диском с упором в него закреплены втулки.

На чертеже показана схема заявляемого пробоотборника: на фиг.1 - общий вид пробоотборника; на фиг.2 - ударный механизм в момент вскрытия пневмокамеры.

Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений содержит колонковую трубу 1, установленную в опорном кольце 2, обеспечивающем вертикальность пробоотборника на дне, и устройство вакуумирования керноприемной полости 3, включающее закрепленный на верхнем конце колонковой трубы 1 цилиндр 4 с размещенным в нем поршнем 5, диаметр которого больше внутреннего диаметра колонковой трубы 1. В поршень 5 вмонтирован обратный клапан 6, пропускающий воду из керноприемной полости 3 в надпоршневую полость 7 цилиндра 4. Концентрично последнему размещен тормозной диск 8, прикрепленный к поршню 5 пальцами 9, установленными с возможностью скольжения вдоль пазов 10, сделанных в стенке цилиндра 4.

Ударный механизм пробоотборника выполнен в виде пневмокамеры 11, закрепленной на верхнем конце цилиндра 4. В пневмокамере установлен поршень 12 для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия 13 в направленный вверх ствол 14, выполненный в виде расширяющего конуса. Внутри ствола 14 установлен повторяющий его форму боек 15. взаимодействующий с поршнем 12. Боек 15 прикреплен к фланцу 16, связанному тягами 17, пропущенными сквозь тормозной диск 8, с грузом 18, который установлен над опорным кольцом 2 на расстоянии Н, равном заданной глубине внедрения колонковой трубы 1. На тягах 17 над тормозным диском 8 с упором в него закреплены втулки 19.

Поршень 12 сделан трехступенчатым. Диаметры выхлопной 20 и тормозной 21 ступеней сделаны одинаковыми, а диаметр средней ступени 22 больше диаметра ступеней 20 и 21. Сжатый воздух подается по шлангу 23 в канал 24, имеющий выход в полость пневмокамеры 11, ограниченную тормозной 21 и средней 22 ступенями поршня 12.

Скобой 25 пробоотборник подсоединен к тросу 26 судовой лебедки (не показана). На штангах 17 закреплены втулки 27, ограничивающие перемещение вверх груза 18.

Работает заявляемый пробоотборник следующим образом. На тросе 26 пробоотборник выводят за борт судна и подают сжатый воздух по шлангу 23 и каналу 24 в полость пневмокамеры, ограниченную средней 22 и тормозной 21 ступенями поршня 12. Из-за небольшой разницы диаметров этих ступеней поршень 12 перемещается вверх, закрывая выхлопное отверстие 13. При этом слышен характерный щелчок от удара выхлопной ступени 20 в посадочное гнездо выхлопного отверстия 13.

Убедившись, что пневмокамера 11 плотно закрыта, пробоотборник быстро опускают на дно. Опорное кольцо 2 удерживает пробоотборник от опрокидывания. После ослабления троса 26 боек 16 под собственным весом, а также под весом груза 18 и остальных жестко связанных с ним деталей, падает вниз и ударом по торцу поршня 12 приоткрывает выхлопное отверстие 13. В образовавшуюся кольцевую щель из рабочей полости пневмокамеры 11 прорывается сжатый воздух и, действуя на верхний торец выхлопной ступени 20, резко (за сотые доли секунды) смещает поршень 12 вниз, полностью открывая выхлопное отверстие 13 (фиг.1).

Расширяясь в стволе 14, сжатый воздух толкает колонковую трубу вниз, внедряя ее в донные отложения, а боек 15 подбрасывает вверх. При этом груз 18 выполняет функции «орудийного лафета», уменьшая отдачу при выхлопах воздуха из пневмокамеры 11. Отскоку груза 18 препятствует его инертная масса, а также сила лобового сопротивления в воде. Вес и диаметр груза 18 подобраны таким образом, чтобы:

1) обеспечивалось смещение поршня 12 при вскрытии пневмокамеры 11 (вес груза 18 и остальных жестко связанных с ним деталей должен быть больше силы трения уплотнительных колец поршня 12);

2) суммарное время подброса груза 18 вверх и падения его вниз было достаточным для заполнения по шлангу 23 пневмокамеры 11 до рабочего давления (это примерно одна секунда при объеме пневмокамеры 500 см³ и давлении в ней 50 кг/см²)

В дальнейшем цикл работы ударного механизма повторяется с той лишь разницей, что непосредственного соударения бойка 15 и поршня 12 не происходит. Падающий боек 15 во втором и всех последующих циклах работы ударного механизма сжимает оставшийся в стволе 14 отработанный воздух до давления 2-3 кг/см², достаточного для смещения поршня 12 (на это расходуется около 10% кинетической энергии падения груза 18). В образовавшуюся кольцевую щель из пневмокамеры 11 в полость выхлопного отверстия 13 прорывается сжатый воздух, повышая в ней давление до величины 50-70

кг/см² (фиг.2). Остаток кинетической энергии падения груза 18 (примерно 90%) расходуется на дополнительное сжатие бойком 15 воздуха в полости 13, повышая в ней давление почти в 10 раз, т.е. до 500-700 кг/см² (выявлено при испытаниях экспериментального образца заявляемого пробоотборника). Повышенное давление в полости 13, действующее на верхний торец поршня 12, отбрасывает его вниз с ускорением около 2000 g. При таких ускорениях вода в тормозной полости 28 ведет себя как твердое тело, передавая давление от поршня 12 пневмокамере 11 и жестко связанной с ней колонковой трубе 1. Величина силового импульса, внедряющего колонковую трубу, увеличивается многократно, позволяя (в отличие от прототипа) пробивать плотные пропластки глин. песков, гравийно-галечных отложений.

При импульсных перемещениях пробоотборника поршень 5 практически остается на месте благодаря торможению диска 8 о воду. При этом под поршнем 5 образуется вакуум, объем которого из-за разности диаметров поршня 5 и внутреннего диаметра колонковой трубы 1 на 10-20% больше объема породы, поступившей в керноприемную полость 3. 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 выхлопами воздуха груз 18, падая вниз, втулками 19 давит на тормозной диск 8, опуская его в исходное положение, даже в случаях, когда длительность пауз невелика (менее 1 с.). При этом излишек воды из керноприемной полости 3 через клапан 6 выдавливается в надпоршневую полость 7. Оттуда воду при очередном выхлопе воздуха поршень 5 через пазы 10 выталкивает в гидросферу.

В конструкции устройства вакуумирования керноприемной полости обеспечивается саморегуляция создаваемого объема вакуума, его зависимость от проходки за удар. Если работа ударного механизма продолжается, а проходки нет (это может случиться, например, при внедрении в коренные породы), вакуум в керноприемной полости не образуется, благодаря чему уже отобранная колонка предохраняется от разрушения избыточной фильтрацией воды.

После внедрения колонковой трубы 1 на заданную глубину Н груз 18 ложится на опорное кольцо 2 (пунктир на фиг.1), не давая бойку 15 возможность приближаться к верхнему торцу поршня 12 во время паузы между выхлопами сжатого воздуха из пневмокамеры 11. При этом объем полости 13 увеличивается, а давление в ней уменьшается до величины, при которой смещение поршня 12 не происходит. С этого момента выхлопы сжатого воздуха из пневмокамеры 11 прекращаются и пузыри воздуха

на поверхности воды не появляются, что служит оператору сигналом о достижении заданной глубины внедрения Н и об автоматической остановке работы ударного механизма. Оператор перекрывает подачу сжатого воздуха в шланг 23 и начинает извлечение пробоотборника из грунта.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

1. А.с. 608920 СССР. Пробоотборник донных отложений. Авт.изобрет. А.М.Грибанов, В.И.Артеменко, И.В.Паличев, Ю.Л.Гаранько, Е.М.Ласовик. - Заявл. 27.07.71. (1685504/22-03). Опубл. 30.05.78. в Б.И. №20.

2. Патент RU 28179. Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений. (Ю.Л.Гаранько - №2002138816; заявлен 28.11.2002. Опубл. 10.03.2003. Бюл. №7.

3. Жуковский Н.Е. Co6p.coч. T.IV, ОНТИ, 1937. ("О реакции вытекающей и втекающей воды").

Claims

Многоударный вакуумно-пневматический пробоотборник донных отложений, содержащий установленную в опорном кольце колонковую трубу, устройство вакуумирования керноприемной полости, включающее 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 на верхнем конце цилиндра закреплен ударный механизм в виде пневмокамеры с установленным в ней поршнем для периодического выпуска сжатого воздуха из выхлопного отверстия пневмокамеры в направленный вверх ствол, выполненный в виде расширяющегося конуса, отличающийся тем, что внутри ствола установлен повторяющий его форму боек, взаимодействующий с поршнем пневмокамеры и прикрепленный к фланцу, связанному тягами, пропущенными сквозь тормозной диск, с грузом, установленным над опорным кольцом на расстоянии Н, равном заданной глубине внедрения колонковой трубы, причем на тягах над тормозным диском с упором в него закреплены втулки.