Устройство сигнализации границы угольных пластов

72) Автор изобрете Б.С.Лобан УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ ГРАНИЦЫ УГОЛЬНЫПЛАСТОВ 1Изобретение относится к горной технике, а именно к сигнализаторам грани; цы пластов и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин на угольных месторождениях.Известны сигналиэаторы границы (встречи) угольных пластов путем поверхнотного контроля механических .параметров бурения (например: скорости поступательного движения шпинделя бурового станка, скорости вращения барабана лебедки, осевой нагрузки на породоразрушающем инструменте, крутящего момента на шпинделе бурового станка и т.п.) и подачи информацион . ного сигнала о встрече угольного плас. та при изменении указанных параметров, соответствующем переходу бурового снаряда из породы в угольныйпласт 1 . 20Общим недостатком указанных сигнализаторов является их низкая эффективность при встрече угольных пластов, залегающих на болывих глубинах. Отмеченный недостаток обусловлен тем, что при использовании данных сигнализаторов информация об изменении,укаэанных контролируемых параметров пе- . редается с забоя к поверхностным регистрирующим и сигнальным устройствам через колонну бурильных труб,8 связи с этим, при большой длине колонны бурильных труб, соответствующей глубоким скважинам, информация об изменении механических параметров бурения передается к поверхности с запаздыванием (величина запаздывания определяется глубиной залегания пласта, а также конструкцией и степенью искривления скважины; она зави" сит также от отношения диаметра бурильных труб к диаметру скважины и от параметров режима бурения), что приводит на практике к частичному или полному пропуску угольных пластов и в конечном итоге к снижению качества кернового опробования угольньв месторождений и значительным3материально-техническим затратам, связанным с дополнительным опробованием пропущенных пластов.Известно также устройство сигнализации встречи угольных пластов, со-держащее расположенный между колонной бурильных труб и буровым снаря" дом забойный датчик, внутри которого имеется канал для прохода промывоч" ной жидкости из колонны к буровому 1 в снаряду и расположены выполненный в виде гидравлического затвора запорный орган и тарельчатая пружина,а также установленный на .поверхности :пульт бурового мастера, состоящий из подключенного к линии нагнетания промывочной жидкости датчика давле" ния, выход которого соединен с сиг- нализатором, Чувствительным элементом является пружина, сжатие которой пропорционально реакции забоя на породоразрушающий инструмент при его переходе из породы кровли в угольный 9 ЙЙ 2 пласт 2.2Недостатком известного сигналиаа" тора границы угольных пластов является недостаточно высокая надежность и долговечность. Данный недостаток обусловлен недостаточно высокой надежностью и долговечностью забойного датчика указанного устройства, что связано с высоким механическим износом подверженных трению деталей запорного органа, а также с конструктивной особенностью забойного датчика, заключающейся в том, что забойный датчик известного сигнализатора является силовым звеном, через которое осевое усилие (достигающее нескольких тонн) и крутящий момент передаются от колонны бурильных труб к буровому снаряду. При этом в особенно тяжелых условиях работает упругий чувствительный элемент (пружина) запорного органа, через который передается осевое усилие. Практика эксплуатации сигналиэаторов встречи угольных пластов рассматриваемой конструкции показала, что зазор между запорным органом и его втулкой в ре- в зультате высркого .механического износа повышается выше допустимого значения уже после проходки 20 м пород, что приводит к снижению амплитуды импульсов давления, формируемых Б забойным датчиком при встрече угольных пластов, из-за больших утечек жидкости по указанному зазору. Час 7 4тым дефектом является также усталостная поломка пружин забойного датчика, вызывающая ложное срабатывание сигнвлизатора и необходимость его ремонта, Разборка и дефектация забойного датчика показывают также, что повышенному износу подвергаются детали шлицевого соединения датчика, через которое передается крутящий момент.Существенным недостатком известного сигнализатора встречи угольных пластов является также то, что конструкция сигнализатора не позволяет изменять в процессе бурения осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент (ни в сторону увеличения, ни в сторону уменьшения), поскольку чувствительный упругий элемент забойного датчика сигнализатора перед спуском в скважину настраивается таким образом, чтобы при бурении породыкровли угольного пласта с заданной осевой йагрузкой запорный орган не перекрывал канал для прохода промывочной жидкости к забою, 8 связи с этим изменение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент приведет к изменению деформации упругого элемента и, соответственно к перемещению затвора запорного органа, что вызовет перекрытие потока промывочной жидкости и в конечном итоге приведет к ложному срабатыванию сигнализатора. По этой причине о 8 евая нагрузка на породоразрушающий инструмент при ис-, пользовании известной конструкции сигнализатора должна поддерживаться в процессе бурения на постоянном уровне, что снижает эффективность бурения, особенно в условиях частой смены вмещающих пород кровли угольных пластов с изменением их механических свойств, требующих перенастройки осевой нагрузки.на породоразрушающий инструмент. Кроме того, поскольку кровля угольных пластов содержит вмещающие породы различной буримости, упругий чувствительный элемент забойного датчика сигнализатора должен практически, перед каждым спуском в скважину перенастраиваться на новое значение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, для чего требуется разборка, регулировка и. сборка. забойного датчика, что усложняет эксплуатацию сигнализатора,Цель изобретения - повышение надежности и точности определения границы угольных пластов.Указанная цель достигается тем,что забойный датчик снабжен демпфером, инерционным элементом, размещенным в капсуле, установленной вкорпусе забойного датчика. и образую- %щей с ним канал для прохода промывочной жидкости и связанной с демпфероми запорным элементом, причем последний выполнен с каналами, а в капсулевыполнена полость, сообщающаяся через каналы запорного органа с каналом для прохода промывочной жидкости,Для обеспечения возможности регулирования динамических характеристикзабойного датчика, инерционный эле" Имент снабжен набором сменных регули"ровочных грузов,На фиг, 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 забойный датчик, разрез, 20Устройство включает расположенныймежду колонкой 1. бурильных труб ибуровым снарядом 2 корпус 3 забойногодатчика, внутри которого помещен выполненный в виде гидравлического затвора 4 запорный орган, с возможностьюперемещения вдоль оси бурового снаря-да,. канал 5 для прохода промывочнойжидкости из колонны 1 к породоразрувающему наконечнику 6 бурового звснаряда 2. Установленный на поверхности сигнализатор 7 снабжен датчиком 8 давления, подключенным к линии9 нагнетания бурового насоса 1 О, запорный орган 4 соединен с цилиндрическими инерционными элементами 11,опирающимся на пружину 12. Забойныйдатчик 3 вместе с буровым снарядом 2и колонной 1 в процессе бурения находятся в скважине 13. Промывочная ржидкость подводится к каналу 5 забой. ного датчика из линии 9 нагнетаниячерез вертлюг-сальник 14 и колонну1. Из канала 5 жидкость подводится кпородоразрушающему наконечнику 6 поканалу А, образованному зазором между корпусом забойного датчика 3 и запорным органом 4. Колонна 1 приводится во вращение с помощью вращателя 15бурового станка 16 к редукторам 17. Для снижения габаритов длины забойного датчика инерционный элемент11 выполнен из материала с большим удельным весом (например, свинца,5 бронзы и т,п,).В целях обеспечения стендовых и эксплуатационных регулировок динамических характеристик забойного датчика цилиндрический инер 27 бционный элемент снабжен набором сменных регулировочных грузов 18 и 19.В устройстве запорный орган 4 выполнен с уравновешиванием сил давления промывочной жидкости, действующих на запорный орган в направлении оси бурового снаряда. Уравновешивание может быть обеспечено, например, путем помещения затвора 4 в цилиндрическую полость 20, соединенную ка" налами 21 с наружной поверхностью затвора, воспринимающей давление жидкости с стороны канала 5 при его перекрытии затвором 4. Чувствительный элемент забойного датчика помещен в изолированную от промывочной жидкости герметичную капсулу 22. В цилиндрической полорти 23 капсулы 22 размещен инерционный элемент 11, соединенный штоком 24 с затвором 4, а также верхняя 25 и нижняя 12 пружины инерционного элемента. Капсула 22 расположена концентрично. с корпусом 3 забойного датчикатаким образом, что между ними образуется кольцевой проточный канал Б, соединяющий канал А с выходным каналом 26, подключенным к буровому снаряду. Корпус 3 и капсула 22 соединены верхними 27 и нижними 28 ребрами крепления.Инерционный элемент 11 снабжен гидравлическим демйфером колебаний, выполненным в виде поршня 29, соединенного штоком 30 с инерционным элементом и помещенного в цилиндре, расположенном в капсуле 22 и разделенном поршнем 29 на верхнюю 31 и нижнюю 32 полости, заполненные рабочей жидкостью. Полости 31 и 32 соединены каналом 33, выполненным в поршне 29, В канале 33 установлен регулировочный дроссель 34, обеспечивающий возможность регулирования степени демпфирования колебаний инерционного элемента 11, вызываемых колебаниями бурового наконечника и снаряда в процессе бурения.Дроссель 34 может быть вы" полнен в виде сменных дроссельных шайб с калиброванным отверстием для прохода жидкости или в виде игольчатого дросселя, площадь проходного отверс- тия в котором регулируется путем перемещения игольчатого затвора. В качестве рабочей жидкости, заливаемой в полости 21 и 32 демпфера, используется масло на минеральной основе (например, АИГ, трансформаторное масло и т.п.) с вязкостью, стабильной в условиях изменения температуры945421 7масла в широком диапазоне, что обес"печивает,стабильность характеристикдемпфера при больших перепадах температуры окружающей среды, которыемогут иметь место при эксплуатациисигнализатора. Шток 24 снабжен уплотнением 35, исключающим попадание промывочной жидкости в полость 23, адля предотвращения вытеснения рабочей жидкости из полости 31 в полость 1 ф23 шток 30 снабжен уплотнением 36.Устройство работает следующим образом.При бурении породоразрушающим наконечником 6 породы кровли угольного 1 зпласта буровой снаряд 2 совершает по,ступательное движение с практическипостоянной скоростью. При этом инер-ционный элемент 11 находится в йижнем исходном положении, а затвор 4 20отведен вниз от канала 5, благодарячему обеспечивается свободный проход промывочной жидкости из канала5 в канал А,откуда по каналам Б и 26жидкость поступает к забою, Действую зщая на наружную поверхность (иглу)затвора 4 сила от давлейия жидкости,стремящаяся спустить затвор и связанный с ним инерционный элемент 11вниз, уравновешивается силой давле- щния, действующего на затвор 4 с стороны полости 20 и передаваемого вуказанную полость из канала 5 церезканалы 21, Благодаря этому компенсируется влияние давления промывочнойжидкости в канале 5 на работу забойного датчика сигнализатора. Осевыеколебания инерционного элемента 11относительно корпуса 3, возбуждаемыеколебаниями бурового снаряда 2, сопровонщающими процесс разрушения,горной породы наконечником 6, гасятся засчет сил сопротивления вязкого трениярабочей жидкости, перетекающей по затзору между поршнем 29 и его цилиндроми через дроссель 34 при колебанияхпоршня 29, сообщаемых ему инерционнымэлементом 11,При переходе породораэрушающего наконечника 6 из породы кровли в уголь 6ный пласт сила сопротивления бурения(реакция забоя на породоразрушающийнаконечник 6) резко снижается, в соответствии с цем резко возрастает скорость поступательного движения наконецИника 6 и связанных с ним буровогоснаряда 2 и корпуса 3 забойного датчи"ка. Причем укаэанная скорость возрастает в течение короткого отрезка времени, на котором корпус 3 забойного датчика движется с ускорением. При этом инерционный элемент 11 в силу инерции стремится сохранить свое начальное положение, занимаемое им до начала ускоренного движения корпуса 3Игла затвора 4 входит в канал 5, перекрывая доступ промывочной жидкости иэ канала 5 к забою, в результате чего в канале 5 происходит интенсивное нарастание давления. Возрастающее давление создает на затворе 4 силу, препятствующую полному перекрытию канала 5 при ускорении корпуса 3, однако. эта сила компенсируется силой давления, действующего на затвор 4 с стороны полости 20 и передаваемого в указанную полость из канала 5 через каналы 21, благодаря чему обеспечивается полное перекрытие канала 5 затором 4. Импульс давления, формируеый в канале 5, передается по столбу ромывоцной жидкости, заполняющей колонну 1, к датчику 8 давления. Выходной сигнал датцика 8 поступает на сигнальное устройство 7, которое по- . дает информационный (световой, звуковой, визуальнонаблюдаемый и т.п.) сигнал о встрече угольного пласта,Использование силы инерции для пере- перекрытия потока промывочной жидкости у забоя скважины при переходе бурового снаряда иэ породы в угольный пласт позволяет создать качественно новый забойный датцик сигнализатора, чувствительный элемент которого, выполненный в виде инерционного элемента, разгружен от осевой нагрузки и крутящего момента, а детали запорного органа забойного датчика не подвержены повышенному механическому износу.Кроме того, поскольку работа забойного датчика с предлагаемым устройством не зависит от величины осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент,отпадает необходимость его регулировки перед спуском в скважину в случае изменения буримости пород кровли, Благодаря указанным достоинствам забойного датчика существенно повышается надежность и долговечность и упрощается эксплуатация сигналиэатора в целом.Достоинством устройства является также то, что забойный датчик позволяет изменять в необходимых пределах осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент в процессе бурения пород кровли угольного пласта, по945427 скольку положение затвора датчика не зависит от величины указанной осевой нагрузки.Устройство позволяет также повысить быстродействие забойного датчи- % ка и тем самым повысить чувствительность к встрече угольного пласта, выраженную через величйну пробуренного интервала угольного йласта к моменту подачи информационного сигна ла о его встрече (чем меньше величина указанного интервала, тем выше чувствительность). Повышение быстродействия забойного датчика с предлагаемым устройством объясняется тем, 15 что время срабатывания его чувствительного инерционного элемента составляет лишь часть отрезка времени изменения скорости поступательного движения снаряда, в течение которой уско рение снаряда и, соответственно, сила инерции инертного элемента 11, воз" растают от нуля до максимума.В течение указанного времени происходит относительное перемещение кор пуса 3 с каналом 5 и затвора 4, обеспечивающее перекрытие потока промывочной жидкости.Устройство может быть использовано не только для встречи угольных зюю Э пластов, но и других полезных ископаемых, порода кровли которых отличается по степени буримости в сторону увеличения или же в сторону уменьшения - когда кровля мягче, чем по-.лезное ископаемое) от полезного ископаемого, причем отличие настолько существенно, что позволяет получать импульс ускорения бурового снарядапри его переходе из породы кровли в массив полезного ископаемого, достаточный для четкого срабатывания. 1. Устройство сигнализации границы угольных пластов, включающее датчик давления, подклЮченный к линиинагнетания. промывочной жидкости ирасположенный между колонной бурильных труб и буровым снарядом забойныйдатчик с каналом для прохода промывочной жидкости и подпружиненным запорным органом, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения надежности и точности определения границы угольного пласта, забойный датчикснабжен демпфером, инерционным эле"ментом, размещенным в капсуле, установленной в корпусе забойного датчикаи образующей с ним канал для проходапромывочной жидкости и связанной сдемпфером. и запорным элементом, при-" .чем последний выполнен с каналами,а в капсуле выполнена полость, сообща"ющаяся через каналы запорного органас каналом для прохода промывочнойжидкости.2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения возможности регулирования динамических характеристик забойного датцика, инерционный элемент снабженнабором смежных регулировочных грузов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизеГайдуков О.И. и др. Методика итехнология кернового опробованияугольных месторождений, М., "Недра",1975, с. 91-1022. Гайдуков Ю.И., Мазаев П,К. Рекомендации по методике и техникевстречи угольных пластов при бурении.Ростов-на-Дону, Донбасс, НИЛ, 1977,с, б.ЭМ 427 годписное ВНИИПИ Заказ 5285/46 Тиражл ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная