Способ образования скважин и выработок в геологических структурах

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам образования скважин выработок. Сущность изобретения: размещают на забое автономный агрегат, с помощью которого, начиная с устья скважины, ведут разрушение пород, воздействуя на забой истекающими под давлением из рабочего органа бурильного агрегата струями рабочего агента, выносят разрушенные частицы породы из полости образуемой скважины восходящим потоком, превышающим по своей скорости скорость витания частиц породы, а по окончании процесса освобождают полость скважины от бурильного агрегата, при этом при внезапном разрушении стенки скважины и выбросе в ее полость, разработку забоя прекращают, создают избыточное давление в полости скважины за счет подачи в ее полость избыточного рабочего агента. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и производительности образования скважин и выработок. 9 ил.

Изобретение относится к технологии образования скважин и выработок различного назначения и может быть использовано для проходки скважин под опоры сооружений, геофизических, разведочных и эксплуатационных скважин на промыслах полезных ископаемых.

В настоящее время известны принципиальные технические решения в этой области, наиболее представительным и наиболее близким из которых является способ образования скважин и выработок в геологических структурах, включающий размещение на забое автономного бурильного агрегата, с помощью которого ведут разрушение пород, начиная от устья скважины, путем воздействия на забой истекающими под давлением из рабочего органа этого агрегата струями рабочего агента, отработанным на забое потоком рабочего агента выносят разрушенные частицы породы из полости образуемой скважины, при этом часть струй ориентируют под углом к стенке скважины и в сторону, противоположную от забоя, с помощью которых ведут калибровку сечения скважины и одновременно создают восходящий поток, превышающий по своей скорости скорость витания частиц разрушенных пород, а по окончании процесса - создают подъемное усилие и освобождают полость скважины от бурильного агрегата 1/.

Обладая определенными преимуществами перед другими аналогами, этот способ имеет и существенные недостатки, которые заключаются в его совокупности и принципиальной последовательности осуществлления операций, не учитывающих собственно - процесс проходки скважины, при котором необходимо вести определенные воздействия и усилия на все операции и этапы процессов проходки, в то время, как в известном способе учитывают только принцип работы бурильного агрегата и не учитывают физические и физико-механические процессы разрушения пород с изменением глубины и условий в скважине. Эти существенные и очевидные недостатки отражаются на низкой эффективности способа и принципиальной невозможности повышения его технологических показателей при проходке скважин и выработок.

Технический результат и технологический эффект данного изобретения заключается в повышении его эффективности за счет задания и выполнения условий воздействия на все участки скважины независимо от типа используемого бурильного агрегата, и оперативной схемы выбора условий проходки с учетом меняющихся условий в скважине.

Этот технический результат в изобретении достигается за счет того, что в способе образования скважин и выработок в геологических структурах, включающем размещение на забое автономного бурильного агрегата, с помощью которого ведут разрушение пород, начиная от устья скважины, путем воздействия на забой истекающими под давлением из рабочего органа этого агрегата струями рабочего агента, отработанным на забое потоком рабочего агента выносят разрушенные частицы породы из полости образуемой скважины, при этом часть струй ориентируют под углом к стене скважины и в сторону, противоположную от забоя, с помощью которых ведут калибровку сечения скважины и одновременно создают восходящий поток, превышающий по своей скорости скорость витания частиц разрушенных пород, а по окончании процесса создают подъемное усилие и освобождают полость скважины от бурильного агрегата, в начале проходки скважины к забою прикладывают механическое усилие за счет усилия, передаваемого бурильному агрегату, и одновременно усилия от ориентированных к забою струй рабочего агента, дальнейшее разрушение пород на забое ведут кольцевыми струями рабочего агента, ориентированными под углами к поверхности забоя и к стенке скважины, при этом часть кольцевых струй ориентируют под углом к стенке скважины в сторону, противоположную от забоя, с помощью которых ведут указанную калибровку сечения скважины и одновременно создают восходящий поток, по мере дальнейшего углубления скважины производят эжектирование ее полости и выносят из нее буровой шлам, при внезапном разрушении стенки скважины и выбросе в ее полость разработку забоя прекращают, создают избыточное давление в полости скважины за счет подачи в ее полость истекающего вверх агента, подаваемого из рабочего органа агрегата, при остановках процесса проходки на забой воздействуют только струями рабочего агента, ориентированными по его центру и поднимаемым к устью скважины бурильным агрегатом очищают полость скважины от остатков бурового шлама.

В таком гармоничном и сбалансированном технологическом процессе достигают максимальной эффективности при проходке как вертикальных, наклонных, горизонтальных, криволинейных, так и проходок в направлении снизу - вверх, из подземных выработок - к дневной поверхности.

Способ образования скважин и выработок поясняется чертежами, где изображено: на фиг. 1 показан общий вид устройства для проходки скважин; на фиг.2 - устройство с раскрытием характерных узлов А и Б, изображенных на фиг.3 и 4; на фиг.5 и 6 показаны детали устройства и схема распределения усилий в призабойной зоне скважины и на корпусе; на фиг. 7 показан процесс удаления бурового шлама с использованием для этого контейнера с бункером-накопителем; на фиг. 8 - устройство при использовании его с аэростатического аппарата в местах, затрудненных для прямой его доставки; на фиг.9 - конструкция устройства с автономной установкой.

Способ образования скважин и выработок в геологических структурах, с использованием описываемых технических средств, осуществляют следующим образом. На устье 1 скважины 2 размещают бурильный агрегат 3 с его рабочим органом 4, в качестве такого технического средства используют автономный бурильный агрегат (АБА). Конструкция этого автономного бурильного агрегата составлена из модульных блоков и может иметь или корпус с неизменяемой геометрией (фиг. 1 и 9), или иметь корпус с изменяемой геометрией (фиг.2). АБА с жестким корпусом (неизменяемой геометрией) 3, выполненным преимущественно в виде цилиндра (фиг. 1,5), на одном торце которого, обращенном к забою, закреплен рабочий орган 4, в полости корпуса размещен генератор рабочего агента (рабочего тела) (конструкция этого генератора в рамках данной заявки не раскрыта, т.к. этот признак не имеет прямого отношения к способу), а на противоположном торце корпуса АБА размещен блок 5 программированного управления работой агрегата. Породоразрушающие механизмы агрегата выполнены в виде сопел 6, выполненных на нижнем (у забоя) торце рабочего органа; сопла 6 выполнены в виде диаметральных в сечении и в виде кольцевых, коаксиально захватывающих нижние сопла, - эти сопла 6 ориентированы по нормали и под острыми углами к поверхности забоя (где углы ориентированы по отношению к оси скважины или выработки); над этими соплами 6 на рабочем органе выполнены кольцевые сопла 7, ориентированные под острыми углами к стенке скважины (фиг.6); эти сопла 7 создают усилие для расширения сечения проходимой скважины и для выноса бурового шлама из зоны забоя и удаления этого шлама вверх по полости скважины к ее устью 1.

АБА имеет также дополнительные сопла 8 на своем верхнем (от забоя) торце; эти сопла служат для усиления восходящего потока бурового шлама и создания усилия подачи АБА к забою; кроме того, эти сопла предназначены для очистки полости скважины при завершении процесса проходки, или при необходимости поддержания избыточного давления в полости скважины (при ликвидации выбросов в скважину, очистке ее от жидкости - попавшей из горизонта, или - от сточной).

Автономность работы АБА соблюдается и в том случае, когда его спускают в скважину на кабель-тросе, по которому могут вести и процесс управления работой АБА через его блок управления 5.

Конструкция АБА (фиг.2), где корпус имеет некоторую геометрическую свободу, достигает этого качества благодаря наличию упругоподатливых кольцевых элементов: 9,10 и 11 (элементов типа 11 может быть несколько по длине корпуса), где элемент 9 является упругоподатливым соединением корпуса 3 и рабочего органа 4; элемент 10 соединяет между собой две соседние секции корпуса бурильного агрегата, а элемент 11 соединяет между собой секции корпуса, более удаленные от рабочего органа, вдоль до секций верхнего торца агрегата 5. Для оперативного изменения режимов работы сопел 6 (фиг.3 - узел А) они имеют шаровидные основания 12, закрепленные в аналогичных шаровидных гнездах в теле рабочего органа 4, а для фиксирования положения оси сопла имеется поджимающий винт 13.

В месте соединения корпуса и рабочего органа (фиг.2) имеется кольцевая щель 14, переходящая в развитое кольцевое расширение в виде кольцевой полости 15, ограниченной снизу фасонным криволинейным кольцевым выступом 16 верхнего торца рабочего органа 4, сверху ограниченного криволинейной фасонной кольцевой выработкой 17 нижнего торца корпуса 3, а сбоку ограниченного упругоподатливой прокладкой 18 (узел Б на фиг.4), расстояние этой прокладки 18 от внутренней стенки упругоподатливого элемента 9 регулируется винтами 19, что позволяет выбирать объем полости 15 за счет увеличения или уменьшения ее кольцевого объема, что приводит к выбору режимов воздействия истекающими струями на забой и стенки скважины.

Устройство для реализации способа может быть снабжено собственным приспособлением для его запуска, выполненным в виде раскрывающегося стартового ствола (фиг. 8,9), где в первоначальном положении его опорные лапы 20 закрыты и прижаты одна к другой, образуя защитную оболочку 20 (фиг. 8) в виде обтекателя, на торце которого закреплен датчик 21 касания поверхности грунта. В таком виде бурильный агрегат может быть использован для спуска на парашюте 22, например при проходке скважины в труднодоступных местах (болото, пустыня, гористый ландшафт; или при необходимости забора проб грунта, горных пород, на других Планетах Солнечной системы: Луне, Марсе, Венере. ), в этом случае бурильный агрегат (по фиг. 8,9) оснащается еще и кернозаборником, или контейнером для взятия проб грунта при проходке (на чертеже эти узлы не раскрыты, как несущественные в рамках способа).

При этом опорные лапы 20 соединены шарнирно со стартовым стволом 23, имеют механизм 24 их раскрытия по команде, регистрируемой от датчика 21 при касании им поверхности грунта (Земли, Луны и т.п.); в данном случае целесообразно вести сбор информации о процессах в скважине посредством кабель-троса 25, соединенного с блоком 5.

При проходке глубокой скважины необходимо вести экономный режим расхода энергии бурильного агрегата. В этом случае (фиг.7) для сокращения расхода рабочего или вспомогательного агента на организацию восходящего потока - для выноса к устью бурового шлама, в скважину опускают бункер-накопитель 26, верхний торец которого выполнен в виде сетки 27 и заборного раструба 28, с помощью которых ведут фильтрацию восходящего потока и осаждение в бункер- накопитель частиц разбуренной породы, поступающей от забоя в восходящем потоке. Активное поведение в полости скважины корпуса бункера-накопителя задают присоединением к стенкам его корпуса вибраторов 29 (например, магнитострикционного типа - малогабаритные и высокоэффективные), а спуск и подъем осуществляют за счет кабель-троса 30, по которому получают и информацию о состоянии в полости скважины (например, от закрепленных на корпусе датчиков, на чертеже не изображены).

В процессе проходки скважины по технологии заявляемого способа удаление восходящего бурового шлама можно вести и за счет создания разрежения в полости скважины при постановке на ее устье (фиг. 1) отводящего шлам раструба 31, имеющего каналы 32, ориентированные своими выходами по ходу потока шлама и подсоединенные к эжекционному насосу (установке; на чертеже не изображена).

Далее, описываемый способ образования скважин и выработок, с использованием раскрытых технических средств для его реализации, излагается заявителем более полно с приведением некоторых конкретных параметров, зависимостей и примеров организации процессов при осуществлении данного способа.

На дневной поверхности грунта, на отмеченном устье 1 размещают устройство для запуска в работу (на чертежах не показано, как не имеющее прямого отношения к заявке), в качестве которого может быть использован либо превентор стационарного типа, либо временное пусковое устройство (например, на транспортном средстве, или типа по фиг.8 и 9); при этом, если процесс проходки скважины (выработки) намечен в обычных условиях: при размещении на рабочей площадке необходимого оборудования, бригады; процесс начинают с приложения к корпусу агрегата 3 усилия его подачи с верхнего торца - 5 и усилия работающего рабочего органа 4 при открытии его сопел 6, ориентированных по нормали к поверхности забоя и под острыми углами к его поверхности, ориентированных по направлению проходки скважины (фиг. 1,6); диаметр скважины выбирают превосходящим диаметр корпуса 3 и диаметр рабочего органа 4 на величину в 1,5-2,0 раза, что обеспечивает свободный вынос бурового шлама в кольцевом зазоре между рабочим органом и забойной частью скважины и между корпусом и стенкой скважины (под термином "кольцевой зазор" здесь понимается зазор между круглыми кольцами, между любыми другими сечениями колец: прямоугольными, овальными и т.п., т.к. кольцевым зазором считается любой зазор между коаксиально расположенными телами, - в данном случае: между телом бурильного агрегата и телом (стенкой) скважины; причем сечение выработки, в отличие от сечения скважины, может быть выбрано не только диаметральным, но и прямоугольным, верхним сводом и т.п. формы).

Далее, по мере погружения в проходимую скважину корпуса бурильного агрегата, например при длине (по вертикальной оси) корпуса порядка 10-12 м и при его погружении на 70-80% длины, включают в работу все сопла на его рабочем органе (используя для подачи команд имеющийся блок 5 (или кабель-трос 25,30): сопла 6, ориентированные по нормали и под острыми углами к поверхности забоя (по отношению к оси скважины и продольной оси агрегата 3); далее, погружаясь за разрабатываемым забоем в скважину, агрегат работает в автономном и сбалансированном режиме, при котором строго соблюдают физико-технологическую закономерность процесса, изложенную выше, которая и обеспечивает передачу не менее 35-40% энергии агрегата на разрушение пород на забое (данные, установленные заявителем при опытном экспериментальном испытании бурильного агрегата и при экспериментальной проверке заявляемого способа) и высокую эффективность способа по всем его процессам, где вслед за созданием усилия для выноса бурового шлама выше корпуса, в полости скважины, создают восходящий поток, несущий этот шлам к устью скважины 1 (далее - в отвал, или на транспорт), выбирая при этом скорость восходящего потока, превышающую скорость витания частиц пород, выносимых этим потоком, - этот процесс задают истечением из сопел 7 рабочего агента, струями которого вначале калибруют стенки и сечение скважины, а отходящим от стенок скважины потоком выносят шлам, задавая указанные условия выноса.

По мере углубления скважины для экономии рабочего агента, производят эжектирование от устья 1 скважины 2 за счет подачи через каналы 32 потока газа (воздуха), создающего разрежение в полости скважины перед ее устьем, что способствует более интенсивному выносу бурового шлама из полости скважины. Далее можно использовать или эжектирующую трубу, которую опускают от устья в полость скважины (труба на чертежах не показана) и создают дополнительное усилие для восходящего потока буровому шламу, или снимают раструб 31, и используют канатно-подъемный механизм, например лебедку (на чертежах не показана), с помощью этого механизма на кабель-тросе 30 в полость скважины спускают бункер-накопитель 26 и ведут в него забор частиц разрушенной на забое породы и восходящей в потоке бурового шлама. Такие технологические приемы позволяют более полно использовать энергию агрегата на забое при проходке глубоких скважин, а также при проходке выработок значительного диаметра (100-300 см и более), когда объем выносимого бурового шлама значителен. В частности, при использовании бункера-накопителя 26, нижнюю его часть (обращенную к забою) выполняют по типу обтекателя (по фиг. 8,7), а его диаметр (или поперечные габаритные размеры - при сечении в виде овала, прямоугольника и т.п.) выбирают, как и диаметр корпуса 3 агрегата, т.е. равным 0,5-0,7 диаметра скважины, что способствует местному ускорению потока и осаждению частиц породы в верхней, вихревой части - за заборным раструбом 28, включая при этом вибраторы 29.

При выработке моторесурса агрегатом (по фиг. 1,9) процесс на забое прекращают за счет воздействия на него только нормально ориентированными струями рабочего агента, - это создает избыточное давление под рабочим органом 4, поднимает агрегат к устью скважины 1, где его улавливают захватами превентора (на чертеже не показаны) или захватывают тросом, или просто - выталкивает сам агрегат себя на поверхность грунта (если это предусмотрено условиями рабочей площадки), этим процессом полость скважины освобождают от остатков бурового шлама и от агрегата, погружая в скважину, на забой, другой такой же агрегат (или тот же, но после заправки компонентами для выработки рабочего агента). Если в процессе проходки скважины вскрывается водонасыщенный горизонт, проходку прекращают за счет воздействия на забой, как и в предыдущем случае, только к устью ориентированными струями рабочего агента, создают, тем самым, избыточное давление в полости скважины, предупреждающее сток в нее из водонасыщенного горизонта, а после ликвидации этой ситуации (любым известным способом, например, опусканием обсадной трубы, или нанесением быстротвердеющего цементнополимерного раствора), далее проходку продолжают.

При выполнении предусмотренных или вынужденных прекращений процессов проходки скважины (выработки), перед началом основных работ на забое, полость скважины освобождают от грунтовых или сточных вод за счет погружения агрегата и воздействия на среду в полости скважины только струями рабочего агента из сопел 7, этим создают сильный восходящий поток и освобождают полость скважины. Далее процесс проходки скважины ведут как показано выше.

При необходимости изменения направления проходки, например, при переходе от вертикального - в горизонтальное (наклонное и т.п.) используют агрегат (по фиг. 2) с модульной системой блоков, соединенных упругоподатливыми элементами (9,10,11), имеющими сопла (фиг.3, узел А) с возможностью изменения положения в теле рабочего органа. Этот процесс позволяет проходить и криволинейные по траектории выработки, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

При выполнении работ в совершенно автономном режиме (в труднодоступных местах на Земле или на других Планетах) используют спускаемый агрегат (фиг. 8,9), соблюдая все операции: первоначально - за счет подачи агрегата усилием сжимающегося гофрированного защитного корпуса (фиг.9) и усилием рабочего агента - из сопел 7, далее - по описанному выше процессу. В этом случае используют, естественно, только один агрегат со всеми заданными тактико-техническими данными.

Таким образом, разработанный и экспериментально проверенный заявителем способ образования скважин и выработок в геологических структурах обладает оригинальной и уникальной новизной, отвечает всем условиям промышленной применимости, обладает высокой эффективностью как за счет значительной экономии энергии, так и по производительности, при снижении металло- и материалоемкости используемого оборудования, сведении к минимуму числа лиц обслуживающего персонала (не более 5-ти чел.); при повышении общей технологической культуры одного из наиболее трудоемких процессов промышленности.

Источник информации 1. Авторское свидетельство СССР N 522759, 1977 г.

Формула изобретения

Способ образования скважин и выработок в геологических структурах, включающий размещение на забое автономного бурильного агрегата, с помощью которого ведут разрушение пород, начиная от устья скважины, путем воздействия на забой истекающими под давлением из рабочего органа этого агрегата струями рабочего агента, отработанным на забое потоком рабочего агента выносят разрушенные частицы породы из полости образуемой скважины, при этом часть струй ориентируют под углом к стенке скважины и в сторону, противоположную от забоя, с помощью которых ведут калибровку сечения скважины и одновременно создают восходящий поток, превышающий по своей скорости скорость витания частиц разрушенных пород, а по окончании процесса создают подъемное усилие и освобождают полость скважины от бурильного агрегата, отличающийся тем, что в начале проходки скважины к забою прикладывают механическое усилие за счет усилия, передаваемого бурильному агрегату, и одновременно - усилия от ориентированных к забою струй рабочего агента, дальнейшее разрушение пород на забое ведут кольцевыми струями рабочего агента, ориентированными под углами к поверхности забоя и стенке скважины, при этом часть кольцевых струй ориентируют под углом к стенке скважины в сторону, противоположную от забоя, с помощью которых ведут указанную калибровку сечения скважины и одновременно создают восходящий поток, по мере дальнейшего углубления скважины производят эжектирование ее полости и выносят из нее буровой шлам, при внезапном разрушении стенки скважины и выбросе в ее полость разработку забоя прекращают, создают избыточное давление в полости скважины за счет подачи в ее полость истекающего вверх агента, подаваемого из рабочего органа агрегата, и при остановках процесса проходки на забой воздействуют только струями рабочего агента, ориентированными по его центру и поднимаемым к устью скважины бурильным агрегатом, очищают полость скважины от остатков бурового шлама.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9