Способ сооружения горизонтальной дренажной скважины в неустойчивых подвижных горных породах и буровой снаряд для его осуществления

Способ сооружения горизонтальной дренажной скважины в неустойчивых подвижных горных породах и буровой снаряд для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горному делу и, в частности, к бурению глубоких горизонтальных дренажных скважин в наиболее сложных геологических условиях, например в неустойчивых горных породах - в песчаных водоносных горизонтах, в плывунах и в текучих мелах.

Известен способ бурения в неустойчивых горных породах, применяемый при бурении вертикальных и слабонаклонных скважин (Ф.А.Шамшев, С.И. Тараканов и др. Технология и техника разведочного бурения. - М.: Недра, 1966, с.247.) Способ характеризуется применением обсадных (защитных) колонн труб различного уменьшающегося диаметра и осуществляется следующим образом. Бурение в обрушающихся и водопоглощающих горизонтах ведут обычным способом породоразрушающим буровым инструментом, конструкция которого зависит от назначения скважины (с отбором керна или сплошным забоем). Когда обрушение стенок скважины и поглощение промывочной жидкости делают невозможным поддержание оптимальных режимов бурения, в скважину спускают обсадную (защитную) колонну труб, досаживая ее до забоя с вращением. Этим перекрывают зоны обрушения и поглощения промывочной жидкости. Далее бурение продолжают буровым снарядом меньшего диаметра внутри обсадной (защитной) колонны. В случае возникновения осложнений внутрь установленной обсадной колонны спускают и досаживают с вращением обсадную колонну меньшего диаметра. Такие этапы повторяют необходимое количество раз для достижения проектной глубины.

Для бурения горизонтальных скважин этот способ не применим, поскольку, например, песчаный водоносный горизонт представлен текучими песками, которые заполняют зазоры между трубами, расклинивают их и делают бурение невозможным.

Известны способ и устройство для сооружения горизонтальных скважин под руслами рек задавливанием фильтровых труб, представляющие собой агрегат, состоящий из фильтровой колонны и гидравлических домкратов, с помощью которых фильтровую колонну без вращения задавливают в водоносный пласт, при этом часть породы через отверстия в головке, установленной на переднем фильтре, выносится пластовой водой по фильтровой колонне. (П.А.Анатольевский, Г.А.Разумов. Горизонтальные скважины. - М.: Недра, 1970.). Способ характеризуется приложением высоких осевых усилий (до 3000 кН) и применим только в гравелистых и крупнозернистых неоднородных водоносных пластах. Недостатками способа являются: ограниченная область применения, интенсивное искривление скважины, неуправляемый вынос песка из пласта.

Известен способ бурения и оборудования фильтрами горизонтальных и слабонаклонных скважин в обводненных песках под защитой обсадной колонны установкой лучевого бурения УЛБ-130, включающей буровой агрегат, маслостанцию и пульт управления. Пульт управления и буровой агрегат монтируют внутри шахтного колодца на рабочих полках. Установка имеет вращатель внешней (защитной) колонны труб и вращатель колонны бурильных труб с гидроцилиндрами подачи. Силовым приводом обоих вращателей служат гидродвигатели. Оба вращателя могут работать независимо друг от друга. Защитная колонна оборудована режущим элементом, внутренняя колонна бурильных труб снабжена специальным породоразрушающим инструментом, позволяющим перекрывать торец защитной колонны на период наращивания и посадки фильтровой колонны. Диаметр породоразрушающего элемента больше диаметра защитной колонны и при бурении на 1,5-2,0 см опережает ее. Сооружение скважины осуществляют колонной бурильных труб и защитной колонной, подаваемых одновременно, при этом обе колонны соосно расположены относительно оси вращения. Вскрытие пласта осуществляют породоразрушающим элементом в виде специальной коронки, установленной на колонне бурильных труб, имеющей диск, с помощью которого можно изменять зазор и в определенных пределах регулировать вынос песка из пласта. Защитная колонна труб предохраняет скважину от обвалов стенок и позволяет оборудовать ее фильтровой колонной, для чего после окончания бурения бурильную колонну извлекают, в скважину соосно защитной колонне до забоя подают фильтровую колонну. После посадки фильтровой колонны защитную колонну извлекают и скважина готова к работе. (Л.Д.Чучелин, В.С.Кузькин и др. Временные методические рекомендации по технологии сооружения лучевых дренажных скважин буровой установкой УЛБ-130, г.Белгород, 1981, с.19).

Этот способ успешно применяется при сооружении скважин длиной 50-60 м. Однако при такой длине защитной колонны давление песка в водоносном горизонте вызывает ее защемление и нагрузки на указанное оборудование возрастают до величин, делающих невозможным дальнейшее бурение.

Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип является «Способ сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах, установка для его реализации, фильтровая труба» (Патент RU №2233373, опубл.27.07.2004 г. Бюл. №21). Способ заключается в том, что бурение ведут при одновременном вращении и подаче внешней защитной колонны и внутренней бурильной колонны труб, которые в зоне забоя скважины взаимодействуют между собой, образуя клапан для регулировки выпуска песка и гидравлическую камеру с обратными клапанами, поддерживающую давление промывочной жидкости выше пластового. Этот способ за счет регулировки выпуска песка и снижения разуплотнения песчаного горизонта путем поддержания давления промывочной жидкости в призабойной зоне выше пластового позволяет увеличить возможную длину скважины до 70-80 м. Недостатком прототипа является то, что равновесие давлений промывки и пластового достигается только в малой части призабойной зоны, а вся остальная поверхность защитной колонны испытывает полное давление песка и защемляется, что ограничивает возможную длину скважины. Поэтому для бурения горизонтальных дренажных скважин в напорных песчаных водоносных горизонтах длиной до 250-300 м и более этот способ неприменим.

Исследованиями свойств горных пород в различных условиях доказано, что пульсирующие нагрузки существенно снижают их прочностные свойства (А.И. Берон, Е.С. Ватолин и др. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения. М.: Недра, 1984, с.141). Так при динамическом воздействии на песчаник у него резко снижаются разрушающие напряжения, модули упругости, в два раза возрастают коэффициенты поперечной деформации и Пуассона. Наличие воды в породе значительно увеличивает описанные эффекты. В водонасыщенных песках резко снижаются силы трения, что дает возможность при использовании ударно-вибрационных нагрузок увеличить возможную длину горизонтальной дренажной скважины.

Задачей изобретения является разработка способа и устройства для его реализации, обеспечивающих возможность сооружения горизонтальной дренажной скважины длиной не менее 250 м в обводненных песках и других неустойчивых горных породах.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:

для способа

- увеличение протяженности горизонтальной дренажной скважины;

- увеличение длины бурения каждой из чередующихся защитных колонн труб;

- увеличение эффективности работы дренажной скважины;

- увеличение экономической эффективности дренажных комплексов;

для бурового снаряда

- повышение надежности;

- предотвращение попадания песка в зазор между защитными колоннами труб;

- предотвращение защемления защитной колонны труб.

Достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе сооружения горизонтальной дренажной скважины в неустойчивых подвижных породах, включающем одновременное бурение защитной и бурильной колоннами труб, расположенными концентрично и вращающимися независимо друг от друга, с промывкой забоя скважины через бурильную колонну труб и с регулировкой выпуска песка при поддержании давления промывочной жидкости в области переднего торца защитной колонны труб выше пластового, при достижении предельной, исходя из прочности соединений труб, длины скважины, защитную колонну труб, не прекращая ее вращения, подвергают вибрационным нагрузкам, а при вторичном достижении предельной для нее длины скважины защитную колонну труб останавливают, герметизируют и в нее концентрично подают дополнительную защитную колонну труб меньшего диаметра до стыковки с породоразрушающим инструментом, после чего бурят дополнительной защитной колонной труб, вращая ее в противоположном направлении относительно направления вращения предыдущей защитной колонны труб, с промывкой через бурильную колонну труб и дополнительной независимой непрерывной промывкой водой под давлением выше, чем пластовое, зазора между остановленной предыдущей защитной колонной труб и дополнительной подвижной защитной колонной труб, повторяя операции остановки защитной колонны труб, достигшей после воздействия на нее вибрации предельной для нее длины скважины и введения новой дополнительной колонны еще меньшего диаметра для последующего бурения необходимое количество раз до получения нужной длины скважины, а также благодаря тому, что известный буровой снаряд, включающий концентрично расположенные по продольной оси бурения защитную колонну труб и бурильную колонну труб, вращающиеся независимо, породоразрушающий инструмент, жестко соединенный посредством отсоединителя на переднем торце бурильной колонны труб и снабженный конусным клапаном, позволяющим регулировать выпуск песка или герметизировать защитную колонну труб за счет его диаметра, равного диаметру этой колонны, снабжен одной или более дополнительной внутренней защитной колонной труб, имеющей меньший диаметр, чем предыдущая защитная колонна труб, и установленной концентрично ей, а также съемным виброударным устройством с крепежным элементом, обеспечивающим возможность его поочередной переустановки на защитную колонну меньшего диаметра, при этом каждая защитная колонна труб на переднем торце снабжена наконечником с внутренним диаметром меньшим, чем внутренний диаметр соответствующей колонны, а на породоразрушающем инструменте ступенчато установлены центрирующие ребра и конусные клапаны, имеющие диаметр, равный диаметру взаимодействующих с ними наконечников защитных колонн труб, а количество ступеней ребер и конических клапанов равно количеству используемых защитных колонн труб с уменьшающимися к продольной оси бурения диаметрами, на заднем торце защитных колонн труб установлены подводы для подачи воды под давлением в зазор между ними, направление нарезки резьбовых соединений защитных колонн труб выполнено противоположным относительно соседних по диаметру.

Заявленное изобретение иллюстрируют следующие чертежи:

- фиг.1 - общий вид буровой установки и бурового снаряда при сооружении горизонтальной дренажной скважины: буровой станок, вращатели, бурильная колонна с породоразрушающим инструментом, защитная колона, виброударное устройство, кондуктор;

- фиг.2 - представлена передняя часть бурового снаряда с наконечниками защитных колонн и с породоразрушающим инструментом на бурильной колонне в ходе выполнения второго этапа бурения;

- фиг.3 - изображено оборудование устья скважины и защитные колонны со съемным виброударным устройством и с подводом для подачи воды в зазор между защитными колоннами труб в ходе бурения на втором этапе;

- фиг.4 - представлен состав бурового снаряда с защитными и бурильной колоннами с породоразрушающим инструментом, с герметизаторами и подводами для подачи воды в зазор между защитными колоннами труб.

Буровая установка и буровой снаряд для осуществления способа (фиг.1) состоят из бурового станка 1 с вращателем 2 бурильной колонны 3 труб (не показаны) и вращателем 4 защитной колонны 5 труб, снабженной съемным виброударным устройством 6. Устье скважины оборудовано кондуктором 7, закрепленным в крепи 8 колодца (не показан) и снабженным герметизатором 9, который перекрывает зазор (не показан) между кондуктором 7 и первой защитной колонной 5 труб. Буровой снаряд (фиг.2) для осуществления способа включает в себя неподвижную достигшую предельной длины скважины на данном этапе защитную колонну 5 труб с наконечником 10, который имеет внутренний диаметр меньший, чем внутренний диаметр защитной колонны 5 труб, внутреннюю бурильную колонну 3 труб, защитную колонну 11 труб с наконечником 12, отсоединитель 13, соединяющий бурильную колонну 3 труб с породоразрушающим инструментом 14, имеющим конусные клапан 15, клапан 16 и клапан 17 и пояса центрирующих ребер 18, которые последовательно, от этапа к этапу, взаимодействуют с наконечниками соответствующих защитных колонн. Кондуктор 7 снабжен герметизатором 9, который перекрывает зазор между кондуктором 7 и первой защитной колонной 5 труб, которая также снабжена герметизатором 19 и подводом 20, служащим для подачи воды в зазор между первой неподвижной защитной колонной 5 труб и второй дополнительной защитной колонной 11 труб меньшего диаметра. Дополнительная защитная колонна 11 труб снабжена съемным виброударным устройством 6, а бурильная колонна 3 труб сальником 21 (фиг.1). Третья защитная колонна 22 труб (фиг.4) расположена внутри второй защитной колонны 11 труб, которая, в свою очередь, оснащена герметизатором 23 и подводом 24. Защитная колонна 22 труб также оснащена наконечником 25.

Способ сооружения горизонтальной дренажной скважины в неустойчивых подвижных горных породах осуществляют с помощью породоразрушающего инструмента 14 в следующем порядке.

На первом этапе (фиг.1) бурение производят через кондуктор 7 первой защитной колонной 5 труб с помощью бурового станка 1. Внутри защитной колонны 5 труб расположена внутренняя бурильная колонна 3 труб, на переднем конце которой жестко закреплен породоразрушающий инструмент 14. Буровой станок 1 посредством сальника 21 обеспечивает независимое вращение и подачу вперед защитной колонны 5 труб и бурильной колонны 3 труб с породоразрушающим инструментом 14 при одновременном нагнетании промывочной жидкости по бурильной колонне 3 труб к породоразрушающему инструменту 14. В ходе бурения конусный клапан 17 (фиг.2) взаимодействует с конусной проточкой наконечника 10, позволяя регулировкой зазора между ними управлять количеством выпускаемого песка в защитную колонну 5 труб и выносить его из скважины потоком промывочной жидкости. В процессе наращивания защитной колонны 5 труб и бурильной колонны 3 труб конусный клапан 17 закрывается и предотвращает самопроизвольный вынос песка. Надежную работу конусного клапана 17 (фиг.1) обеспечивает соответствующий пояс центрирующих ребер 18 (фиг.2), которые взаимодействуют с наконечником 10 защитной колонны 5 труб. В ходе продвижения бурового инструмента площадь поверхности защитной колонны 5 труб в песке увеличивается и при постоянном удельном давлении песка на колонны наступает момент, когда сопротивление вращению превысит возможности буровой установки или прочность резьбовых соединений. Тогда защитную колонну 5 труб оборудуют виброударным устройством 6, которое позволит продолжить бурение до предельной длины скважины, зависящей от конкретных свойств проходимых горных пород. По достижении предельной длины защитной колонной 5 труб конусный клапан 17 закрывается, вдвигаясь в ответную конусную проточку (не показана) наконечника 10, задний торец защитной колонны 5 труб (фиг.3) оборудуется герметизатором 19 с подводом 20. Приступают ко второму этапу бурения. Для этого через герметизатор 19 в первую защитную колонну 5 труб подают вторую дополнительную защитную колонну 11 труб, которая имеет противоположно направленную нарезку резьбовых соединений (не показаны) относительно первой защитной колонны 5 труб, что предотвращает самопроизвольное развинчивание труб первой защитной колонны 5 при вращении второй дополнительной защитной колонны 11 труб. Вторую защитную колонну 11 (фиг.2) подают до стыковки ее наконечника 12 с конусным клапаном 16 породоразрушающего инструмента 14. Далее через подвод 20 (фиг.3) в зазор между первой защитной колонной 5 труб и второй дополнительной защитной колонной 11 труб подают воду от специального насоса (не показан). Движением вперед бурильной колонны 3 относительно второй защитной колонны 11 труб открывают конусный клапан 16 на необходимую величину и производят бурение. В ходе бурения зазор (фиг.2) между наконечником 10 первой защитной колонны 5 труб и наружной поверхностью второй защитной колонны 11 труб постоянно промывают водой под давлением. Поток воды, проходящий в зазоре между первой защитной колонной 5 труб (фиг.2,3), неподвижной и второй защитной колонной 11 труб, подвижной на данном этапе бурения, создает смазывающий эффект, снижая силы трения между ними. Зазор между первой защитной колонной 5 труб и второй защитной колонной 11 труб за счет уменьшенного внутреннего диаметра наконечника 10 создает подпор и избыточное давление выше пластового, это поддерживает сплошность потока воды, образуя водяную рубашку вдоль защитной колонны 5 труб и увеличивает скоростной напор, что предотвращает попадание песка в этот зазор и обеспечивает свободное вращение и поступательное движение второй защитной колонны 11 труб в пределах длины первой защитной колонны 5 труб. По достижении предельной длины выхода второй защитной колонны 11 труб из первой защитной колонны 5 труб и после использования виброударного устройства 6 операции этапа повторяют (фиг.4). Вторую защитную колонну 11 труб также оснащают герметизатором 23 с подводом 24, третью защитную колонну 22 труб с противоположным направлением нарезки резьбовых соединений относительно второй защитной колонны 11 труб подают во вторую защитную колонну 11 труб до стыковки ее наконечника 25 с конусным клапаном 15 породоразрушающего инструмента 14.

Количество защитных колонн определяют, исходя из требуемой длины скважины. По достижении этой длины бурильную колонну 3 (фиг.4) посредством отсоединителя 13 (фиг.2) освобождают от породоразрушающего инструмента 14 и извлекают из скважины, причем последний конусный клапан 15 (фиг.2) герметизирует торец последней защитной колонны 22 труб (фиг.4), в которую затем подают фильтровые трубы (не показаны). После упора фильтровых труб в породоразрушающий инструмент 14 защитные колонны извлекают из скважины в обратной последовательности при необходимости с промывкой зазоров и с использованием виброударного устройства 6.

Практическая применимость заявляемого изобретения показана на следующих примерах конкретного исполнения.

Пример 1 (Прототип)

Сооружалась скважина лучевого дренажного комплекса, предназначенного для осушения промплощадки металлургического комбината. Водоносный горизонт представлен плывунными песками с напором воды на устье скважины порядка 20 м водяного столба. Бурение проводилось с помощью буровой установки УЛБ-130 конструкции ВИОГЕМ. Состав бурового снаряда: защитная колонна из труб диаметром 168 мм с толщиной стенки 10 мм; бурильная колонна диаметром 89 мм с замковым резьбовым соединением; в качестве породоразрушающего инструмента использовалось двухлопастное долото с конусным клапаном. Выпуск песка регулировался степенью открытия клапана и поддерживался равным произведению механической скорости бурения на площадь поперечного сечения скважины, что предупреждало излишнее разуплотнение свода скважины. По достижении длины скважины 55 м нагрузки на станок по крутящему моменту и по осевым усилиям достигли значений, близких к предельным. На длине около 60 м произошел обрыв защитной колонны по резьбовому соединению. Скважина оборудована фильтровой колонной с устьевыми запорными устройствами и запущена в работу.

Пример 2

В аналогичных условиях применяется предлагаемый способ сооружения горизонтальных дренажных скважин в неустойчивых подвижных горных породах, который осуществляется из колодца или шахтного ствола диаметром более 5 м буровой установкой, например УЛБ-130 конструкции ВИОГЕМ, в водонасыщенных плывунных песках. Используется многоступенчатая конструкция горизонтальной скважины, что позволяет бурить на большую протяженность. Например, для бурения до 250 м и более выбираются следующие диаметры труб для защитных колонн: первая защитная колонна диаметром 168 мм, стенка 10 мм, вторая защитная колонна диаметром 140 мм, стенка 10 мм, третья защитная колонна диаметром 110 мм, стенка 8 мм, бурильная колонна диаметром 89 мм, породоразрушающий инструмент - лопастное долото с тремя ступенями центрирующих ребер и конусных клапанов. В качестве виброударного устройства применяется горный пневмоударник П-105. Использование вибрационных нагрузок и промывка зазора между защитными колоннами позволили бурить до 90 м на каждом этапе и получить длину скважины около 270 м.

Как видно из приведенных выше примеров 1 и 2, заявляемая совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, заключающуюся в значительном увеличении длины горизонтальной дренажной скважины в песчаных водоносных горизонтах по отношению к прототипу (пример 1) более чем в четыре раза. Это значит, что радиус влияния дренажного лучевого комплекса увеличится соответственно в четыре раза, что позволит существенно сократить объем горнопроходческих работ, связанных со строительством стволов или колодцев.

1. Способ сооружения горизонтальной дренажной скважины в неустойчивых подвижных породах, включающий одновременное бурение защитной и бурильной колоннами труб, расположенными концентрично и вращающимися независимо друг от друга, с промывкой забоя скважины через бурильную колонну труб и с регулировкой выпуска песка при поддержании давления промывочной жидкости в области переднего торца защитной колонны труб выше пластового, отличающийся тем, что при достижении предельной, исходя из прочности соединений труб, длины скважины защитную колонну труб, не прекращая ее вращения, подвергают вибрационным нагрузкам, а при вторичном достижении предельной для нее длины скважины защитную колонну труб останавливают, герметизируют и в нее концентрично подают дополнительную защитную колонну труб меньшего диаметра до стыковки с породоразрушающим инструментом, после чего бурят дополнительной защитной колонной труб, вращая ее в противоположном направлении относительно направления вращения предыдущей защитной колонны труб, с промывкой через бурильную колонну труб и дополнительной независимой непрерывной промывкой водой под давлением выше пластового зазора между остановленной предыдущей защитной колонной труб и дополнительной подвижной защитной колонной труб, повторяя операции остановки защитной колонны труб, достигшей после воздействия на нее вибрации предельной для нее длины скважины, и введения новой дополнительной защитной колонны еще меньшего диаметра для последующего бурения необходимое количество раз до получения нужной длины скважины.

2. Буровой снаряд, включающий концентрично расположенные по продольной оси бурения защитную колонну труб и бурильную колонну труб, вращающиеся независимо, породоразрушающий инструмент, жестко соединенный посредством отсоединителя на переднем торце бурильной колонны труб и снабженный конусным клапаном, позволяющим регулировать выпуск песка или герметизировать защитную колонну труб за счет его диаметра, равного диаметру этой колонны, отличающийся тем, что буровой снаряд снабжен одной или более дополнительной внутренней защитной колонной труб, имеющей меньший диаметр, чем предыдущая защитная колонна труб и установленной концентрично ей, а также съемным виброударным устройством с крепежным элементом, обеспечивающим возможность его поочередной переустановки на защитную колонну меньшего диаметра, при этом каждая защитная колонна труб на переднем торце снабжена наконечником с внутренним диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр соответствующей колонны, а на породоразрушающем инструменте ступенчато установлены центрирующие ребра и конусные клапаны, имеющие диаметр, равный диаметру взаимодействующих с ними наконечников защитных колонн труб, а количество ступеней центрирующих ребер и конических клапанов равно количеству используемых защитных колонн труб с уменьшающимися к продольной оси бурения диаметрами, на заднем торце защитных колонн труб установлены подводы для подачи воды под давлением в зазор между ними, направление нарезки резьбовых соединений защитных колонн труб выполнено противоположным относительно соседних по диаметру.