SU1640398A1 - Стенд дл исследовани напр женного состо ни керна несв зных грунтов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к гидромеханике и предназначено дл  исследовани  процессов , происход щих в грунтовом массиве. Цель изобретени  - повышение достоверности исследовани  за счет измерени  сил сопротивлени  грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхност м в услови х обратной промывки. Дополнительный гидравлический динамометр 13с узлом компенсации гидростатиче- ского давлени  и с датчиками 14-16 51 давлени  соединен с основным гидравлическим динамометром 12 и наружной трубой 1. Узел компенсации гидростатического давлени  установлен внутри динамометра 13. Последний выполнен в виде ступенчатого плунжера 18, установленного в полости динамометра 13, поршн  24, штока 25, соедин ющего его со ступенчатым плунжером 18, и надпоршневой камеры, сообщенной с датчиком давлени . Стенд имеет кернопри- емную 2 и наружную 1 трубы, установленные на башмаке 4 с зазором. В процессе задавливани  колонкового снар да в грунт по показани м датчиков 14-16 определ ют сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхност м. Благодар  размещению, труб 1 и 2 на башмаке исключаетс  возможность перераспределени  нагрузок в элементах колонкового снар да из-за колонкового снар да и упругой деформации промежуточной трубы 3. 1 ил. СП с о Ьь о GJ О 00

Description

Изобретение относитс  к гидрогеоме- ханике, в частности к устройствам дл  исследовани  процессов, происход щих в грунтовом массиве при отборе проб несв зных грунтов морскими колонковыми пробоотборниками .

Целью изобретени   вл етс  повышение достоверности исследовани  за счет из- мерени  сил сопротивлени  грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхност м в услови х обратной промывки.

На чертеже показан стенд, общий вид.

Стенд дл  исследовани  напр женного состо ни  керна несв зных грунтов содержит колонковый снар д, включающий наружную 1 и керноприемную 2 трубы, промежуточный элемент 3, выполненный, например, также в виде трубы, установленный между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и жестко св занный посредством резьбы с башмаком 4. Наружна  1 и кер- ноприемна  2 трубы размещены относительно башмака 4 с зазорами, в которые установлены резиновые кольца 5. Кернопри- емна  труба 2 снабжена сливным патрубком б, сообщающим полость керноприемной тур- бы 2 с атмосферой, а наружна  труба 1 - датчиком 7 гидростатического давлени , установленным на уровне сливного патрубка 6 керноприемной трубы 2.

Емкость 8 с исследуемым грунтом установлена под колонковым снар дом со стороны башмака и выполнена герметичной - она снабжена уплотнением 9 по наружному периметру трубы 1. Кроме того, она соединена с нагнетательной линией 10 с вентилем 11 и сообщена с датчиком 7 гидростатического давлени .

Колонковый снар д в верхней части св зан с силоизмерителем, выполненным в виде двух гидравлических динамометров основного 12 и дополнительного 13 и датчиков 14-16 давлени . Гидравлические динамометры 12 и 13 установлены последовательно вдоль оси колонкового снар да, при этом корпус 17 дополнительного динамометра 13 и плунжер 18 основного динамометра 12 соединены соответственно с наружной 1 и керноприемной 2 трубами, а корпус 19 нижнего динамометра 12 и плунжер 20 дополнительного динамометра 13 - с промежуточной трубой 3. Полости 21 и 22 гидравлических динамометров 12 и 13 заполнены жидкостью и сообщены с датчиками 14 и 15 давлени .

Стенд снабжен устройством компенсации гидростатического давлени , установленным внутри дополнительного гидравлического динамометра и содержащим ступенчатый плунжер 23, установленный в полости 22 дополнительного динамометра 13 и поршень 24, св занный со ступенчатым плунжером 23 с помощью штока 25. Причем площадь кольцевой поверхности ступенчатого плунжера 23 со стороны штока 25 (площадь поперечного сечени  верхней ступени плунжера 23 минус площадь поперечного сечени  штока 25) выпол0 нена равной площади ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 дополнительного гидравлического динамометра 13, а площадь поршн  24 - равной площади кольцевой поверхности колонкового снар 5 да между наружной 1 и керноприемной 2 трубами (в поперечном сечении) с учетом толщины стенок этих труб. Кроме того, над поршнем 24 выполнена надпоршнева  камера 26, сообщающа с  посредством гиб0 кого шланга 27 с емкостью 8, а над ступенчатым плунжером 23 - штокова  полость 28, заполненна  жидкостью и соединенна  с датчиков 16 давлени .

Дл  задавливани  колонкового снар да

5 в грунт применен гидравлический привод, включающий насосную станцию 29 и гидроцилиндр 30. Надпоршнева  полость 31 гидроцилиндра 30 сообщена с датчиком 32 давлени . Дл  регистрации и записи пока0 заний датчиков давлени  использована установка 33.

Исследовани  сопротивлени  грунтового массива внедрению пробоотборника производ т следующим образом.

5 Собранный колонковый снар д с сило- измерителем опускают через отверстие уплотнени  9 в емкость 8 с исследуемым гнутом и, не доход  до уровн  грунта башмаком 4 колонкового снар да, открывают

0 вентиль 11 нагнетательной линии 10. Жидкость из нагнетательной линии 10 начинает поступать в емкость 8 и поднимаетс  по керноприемной трубе 2 до уровн  сливного патрубка 6.

5 Далее колонковый снар д опускают до уровн  грунта в емкости 8, включают насосную станцию 29 гидравлического привода и гидроцилиндром 30 через корпус 17 дополнительного динамометра 13 производ т

0 вдавливание колонкового снар да в грунт. При этом усилие задавливани  на башмак 4 колонкового снар да передаетс  через жидкость , заполн ющую полость 22 гидравлического динамометра 13, плунжер 20,

5 корпус 19 гидравлического динамометра 12 и промежуточную трубу 3, а усилие задавливани  на керноприемную трубу 2 - через жидкость, заполн ющую полости 22 и 21 гидравлических динамометров 12 и 13 и плунжеры 20 и 18.

Одновременно вентилем 11 нагнетательной линии 10 провод т регулировку необходимого давлени  жидкости внутри емкости 8, моделирующего гидростатическое давление. За счет разности между гид- ростатическим давлением и давлением жидкости над пробой в колонке керна и в окружающем забой массиве грунта возникает фильтрационный поток жидкости, оказывающий фильтрационное давление на скелет грунта. Поступающа  в полость кер- ноприемной трубы 2 жидкость отводитс  через сливной патрубок 6. Разность между гидростатическим давлением и давлением над пробой регистрируетс  датчиком 7 дав- лени .

По мере внедрени  колонкового снар да в грунт возникает и нарастает сила сопротивлени  грунтового массива. Пропорционально этому сопротивлению нарастает давление жидкости в подпоршне- вой полости 31 гидроцилиндра 30, которое регистрируетс  датчиком 32 давлени  и записываетс  установкой 33. Записанное значение давлени  определ ет полное сопротивление N внедрению пробоотборника в услови х исследований на предлагаемом стенде.

Сила FK трени  колонки пробы о кер- ноприемную трубу 2 при превышении вели- чины, определ емой весом керноприемной трубы 2 со сливным патрубком б и плунжером 18 гидравлического динамометра 12, однозначно соответствует давлению жидкости в полости 21 гидравлического динамо- метра 12, которое регистрируетс  датчиком 14 давлени .

Лобовое сопротивление пробоотборнику (сопротивление по режущим кромкам башмака 4) в услови х исследований на предлагаемом стенде обусловлен сопротивлением грунтового массива на деформацию Рл и усилием G, возникающим в результате гидростатического давлени  жидкости в ем- кости 8 на колонковый снар д по площади кольцевого пространства между наружной 1 и керноприемной 2 трубами. В реальных услови х работы на море составл юща  лобового сопротивлени , обусловленна  гид- ростатическим давлением на колонковый снар д, отсутствует. Поэтому при исследовани х сопротивлени  грунтового массива внедрению пробоотборника усилие от гидростатического давлени  G жидкости на ко- лонковый снар д должно быть исключено (компенсировано), а лобовым сопротивлением пробоотборнику должно считатьс  только сопротивление грунтового массива на деформацию Рл под башмаком 4 колонкового снар да, которое определ етс  на предлагаемом стенде следующим образом.

Давление жидкости в полости 22 гидравлического динамометра обусловлено суммой силы FK трени  колонки пробы о керноприемную трубу 2, лобового сопротивлени  грунтового массива на деформацию Рл, гидростатического давлени  G жидкости на колонковый снар д жидкости в надпорш- невой камере 26 на поршень 24..Поскольку площадь поршн  24 выполнена равной площади кольцевого зазора колонкового снар да между наружной 1 и керноприемной 2 трубами и в надпоршневую камеру 26 по шлангу 27 подведена жидкость из емкости 8, наход ща с  под гидростатическим давлением , то усилие гидростатического давлени  G на колонковый снар д и сила, возникающа  на поршне 24, одинаковы, но противоположны по направлению. При этом потери давлени  жидкости в надпорш- невой камере 26 ввиду высоты колонкового снар да, рассчитываемой от башмака 4 до поршн  24, пренебрегаютс  или учитываютс  в процесе проведени  исследований как посто нна  величина.

Давление жидкости в штоковой полости 28 и полости 22 дополнительного динамометра 13 при отсутствии давлени  жидкости в надпоршневой камере 26 на поршень 24 были бы одинаковы ввиду одинаковых площадей ступенчатого плунжера 23 со стороны полости 22 динамометра 13 и со стороны штоковой полости 28. Однако имеющеес  на поршне 24 усилие, обусловленное давлением жидкости в нздпоршневой камере 26, передаетс  через шток 25 на ступенчатый плунжер 23 и снижает давление жидкости в штоковой полости 28 на величину, соответствующую силе гидростатического давлени  на колонковый снар д.

Таким образом, давление жидкости в штоковой полости 28, соответствующее некоторому усилию Т, определ етс  только суммой силы FK трени  колонки пробы о керноприемную трубу 2 и лобового сопротивлени  грунтового массива на деформацию Рл. А поскольку значение силы Рк трени  известно по показател м датчика 14 давлени , а значение силы Т - датчика 16 давлени , то лобовое сопротивление грунтового массива на деформацию Рл определ етс  следующим образом: Рл Т - Рк.

Сопротивление Рн грунтового массива по поверхности наружной трубы определ етс  следующим образом.

Регистрируемое датчиком 32 полное сопротивление N внедрению пробоотборника в услови х проведени  исследований на

предлагаемом стенде включает, кроме сопротивлени  непосредственно грунтового массива, еще и сопротивление G, обусловленное гидростатическим давлением жидкости на колонковый снар д. Т.е,

N T+FH + G, откуда

FH N-(T + G).

Сумма Т + G представл ет собой не что иное, как среднее арифметическое значение сил, соответствующих показани м датчиков 15 и 16 давлени . Действительно, если давление жидкости в штоковой полости 28 соответствует силе Т, то давление в полости 22 гидравлического динамометра 13 соответствует усилию Т + 2G. Тогда среднее арифметическое

T+(T2+26)T+G

Таким образом, в процессе задавлива- ни  колонкового снар да в грунт по показани м датчиков 14-16 и 32 давлени  можно определить сопротивление грунтового мае- сива внедрению пробоотборника по его ло- бозой и боковым (наружной и внутренней) поверхност м и, как следствие, полное сопротивление непосредственно грунтового массива внедрению пробоотборника.

В процессе исследований благодар  размеа ению наружной 1 и керноприемной 2 труб относительно башмака 4 с зазорами исключаетс  возможность перераспределени  нагрузок в элементах колонкового снар да в результате упругой деформации промежуточной трубы 3. Установка в зазорах резиновых колец 5 предотвращает по- падение жидкости и грунта в кольцевой зазор между наружной 1 и керноприемной 2 трубами.

Применение предлагаемого стенда дл  исследовани  сопротивлени  грунтового массива внедрению пробоотборника позвол ет изучить закономерности вли ни  различных геолого-технических факторов пробоотбора(тип грунтов, глубина пробоот- бора, диаметр бурени , перепад между гидростатическим давлением и давлением жидкости над пробой) на сопротивление грунтового массива внедрению пробоотборника в целом и по элементам колонкового снар да: сопротивление грунтового массива по наружной поверхности, лобовое сопротивление и силу трени  колонки керна .

Вы снение указанных закономерностей позвол ет упростить проектирование приаода дл  морских пробоотборников и разработать технологию пробоотбора донных отложений с использованием обратной

промывки. Проектирование привода дл  морских пробоотборников осуществл етс  при известных значени х сопротивлени  грунтового массива. А оптимизаци  технологии пробоотбора донных отложений производитс  путем регулировани  управл емых геолого-технических факторов пробоотбора, при которых обеспечиваетс  минимальное сопротивление грунтового

0 массива при требуемом качестве опробовани .

По сравнению с известными исследование предлагаемого стенда повышает его технологические возможности, так как он

5 позвол ет производить измерени  по лобовой и боковым поверхност м пробоотборника одновременно в услови х обратной промывки в скважине.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   0 Стенд дл  исследовани  напр женного состо ни  керна несв зных грунтов, содержащий керноприемную трубу со сливным патрубком, наружную трубу с датчиком давлени , установленным на уровне сливного

   5 патрубка, промежуточный элемент, установленный между керноприемной и наружной трубами, башмак с установленными на нем наружной и керноприемной трубами и жестко закрепленным промежуточным эле0 ментом, герметичную емкость с патрубком дл  подачи жидкости под давлением, установленную со стороны башмака, си- лоизмеритель, выполненный в виде гидравлического динамометра с датчиков

   5 давлени  и соединенный с керноприемной трубой промежуточным элементом, и гидравлический привод перемещени  наружной и керноприемной труб, датчик давлени  на наружной трубе сообщен с герметичной

   0 емкостью, отличающийс  тем, что, с целью повышени  достоверности исследовани  за счет измерени  сил сопротивлени  грунта внедрению пробоотборника по его лобовой и боковым поверхност м в ус5 лови х обратной промывки, он снабжен дополнительным гидравлическим динамометром с узлом компенсации гидростатического давлени  и датчиками давлени , соединенным с основным гидравлическим

   0 динамометром и наружной трубой, причем узел компенсации гидростатического давлени  установлен внутри дополнительного гидравлического динамометра и выполнен в виде ступенчатого плунжера, установленно5 го в полости дополнительного гидравлического динамометра, поршн  и штока, соедин ющего его со ступенчатым плунжером , надпоршневой камеры, сообщенной с герметичной емкостью, штоковой полости, выполненной над ступенчатым плунжером и

   сообщенной с датчиком давлени , кер-хности ступенчатого плунжера со стороны

   неприемна  и наружна  трубы установленыштоковой полости равна его площади со

   на башмаке с зазором, площадь поршн  уз-стороны полости дополнительного гидравла компенсации равна площади кольцевойлического динамометра, сообщенной с датповерхности между наружной и кернопри-5 чиком давлени  и с основным

   емной трубами, а площадь кольцевой повер-гидравлическим динамометром.