УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА Российский патент 1997 года по МПК E21D1/06 

Изобретение относится к горному делу, а именно, к технике бурения скважин большого диаметра для различного целевого назначения, а также может применяться для уширения взрывных скважин.

Известно устройство для бурения скважин большого диаметра с очисткой забоя и выносом бурового шлама воздухом через двойную штангу, реализованное фирмой "Ингерсол-Ренд" США в станке "Супердрил" для бурения скважин диаметром от 510 до 750 мм. Станок применяется для бурения пород с низкой крепостью и может работать в зимних условиях. Способ значительно уменьшает расход воздуха, однако выделяется огромное количество пыли, и требуются специальные средства по ее подавлению. Кроме того, воздух не обеспечивает достаточного охлаждения породоразрушающих элементов, особенно периферийных, которые имеют при вращении снаряда наибольшие скорости резания.

Уменьшение расхода воздуха, несмотря на применение двойной трубы, имеет еще резервы. Дело в том, что на отделение, на отрыв шлама от поверхности забоя расхода воздуха тем больше, чем больше поверхность забоя и скорость образования шлама, т. е. бурения. Таким образом, одним применением двойной трубы не обеспечивается многократное снижение расхода воздуха при бурении скважин большого диаметра. Кроме того, при бурении скважин большого диаметра система с двойной трубой становится очень громоздкой и металлоемкой, поэтому она и малоприменима.

Известен переходник для двойной бурильной колонны. Он обеспечивает равномерную подачу шлама в шламоприемные окна и включает корпус, осевой канал для выноса керна или шлама потоком очистного агента, боковые продольные каналы, на наружной поверхности корпуса подающие и отражающие лопасти противоположного направления навивки и шламоприемные окна, сообщающие внешнее пространство с осевым каналом и расположенные при вершине угла, образованного смежными витками подающей и отражающей лопастей.

Данный переходник в сочетании с двойной бурильной колонной имеет те же недостатки, что и станок "Супердрил".

Известно также устройство (передний фональ) для сохранения направления скважины и равномерного выпуска под собственным весом бурового шлама от забоя скважины большого диаметра в скважину меньшего диаметра.

В этом устройстве силовые удары по забою сотрясают его и шлам. Последние под собственным весом падают в устье заранее пробуренной скважины. Этому также способствует конструкция расширителя. Однако зашламование не исключается при других способах бурения. Это устройство применяется при расширении скважин сверху вниз с выдачей буровой мелочи на нижележащий горизонт через предварительно пробуренную скважину.

Недостатком этого устройства является необходимость предварительной проходки передовой скважины, выдача шлама на нижний горизонт, невозможность его использования для бурения скважин с выдачей бурового шлама на дневную поверхность и сильное пылеобразование.

Известны также устройства для бурения скважин большого диаметра, подающие воду на забой для охлаждения резцов, пылеподавления, разупрочнения пород забоя и выноса шлама ее обратной циркуляцией.

Недостатком этих устройств являются значительные материальные затраты на предотвращение замерзания при организации ее обратной циркуляции в зимнее время. Кроме того, большие потери воды, уходящей по трещинам от предыдущего взрыва, делают неприменимыми эти устройства при бурении взрывных скважин и просто в трещиноватых породах.

Наиболее близким по своей технической сути и достигаемому эффекту является устройство для бурения скважин большого диаметра, включающее расширитель, пилот-долото, соединенное со шнековой колонной, выполненной полой для подачи воздуха и расположенной в транспортирующей трубе, в нижней части которой размещены шламоприемные окна, а также подгребатели шлама и формирующий кожух.

Данное устройство значительно уменьшает расход воздуха и общие энергозатраты. Однако, наличие шнека по всей длине колонны делает последнюю металло- и трудоемкой. Кроме того, при выносе шлама по кольцевому зазору шнеком сам шлам существенно регламентируется по крупности. К примеру, при диаметре транспортирующей трубы 160 мм, кольцевой зазор, по которому выносится шлам, может составить около 50 мм, а при выносе по центральному каналу, его диаметр может быть в пределах 100 мм.

Таким образом, данное устройство не позволяет разрушать породы забоя менее энергоемким способом, например, ударом или резанием крупным сколом. К существенным недостаткам следует отнести также наличие формирующего кожуха, под который подается шлам лидирующей скважины. Из-за этого расширитель работает в условиях зашламования, что ведет к перегреву и к быстрому износу вооружения расширителя, а это в свою очередь к росту энергозатрат на разрушение породы. Вращение кожуха в шламе, диаметром, равным диаметру скважины, тоже требует дополнительной мощности.

В этом устройстве нельзя в достаточном количестве подавать воду из-за ее поступления в забой лидирующей скважины. Известно, что когда на забое вода, вынос шлама воздухом затрудняется. Следовательно, вопросы пылеподавления и разупрочнения забоя водой не разрушаются.

Недостатком этого устройства является также расположение шламоприемных окон на одном уровне. Причем, чем производительнее бурение, тем должно быть больше сечение окон и их количество. А большое отверстие, или несколько отверстий, расположенных на одном уровне, сильно разупрочняет колонну.

В целом, наличие формирующего кожуха и шнека по всей длине колонны, расположение шламоприемных окон на одном уровне и невозможность подачи воды делают это устройство непрочным, энерго- и металлоемким, а процесс бурения их экологически нечистым.

Цель изобретения снижение энергозатрат путем уменьшения веса вращающихся частей и сопротивления этому вращению.

Для достижения поставленной цели, сохраняя возможность прототипа бурить с малым расходом воздуха скважины различного диаметра сменой расширителя, необходимо решить следующие задачи:
снизить вес вращающихся частей;
уменьшить сопротивление вращению буровой колонны;
ликвидировать зашламование забоя.

Для решения этих задач, по нашему мнению, необходимо в устройстве для бурения скважин большого диаметра, включающем привод, имеющий осевой и боковой каналы, бурильную колонну со шламоприемными окнами, пилот-долото, расширитель и шнековый транспортер, разместить на внешней поверхности бурильной колонны между пилот-долотом и расширителем шнековый транспортер, а его лопасти выполнить с направлением навивки, противоположным направлению вращения бурильной колонны, причем шламоприемные окна разместить между пилот-долотом и транспортером и выполнить их в виде радиально установленных патрубков, полость которых сообщена с полостью центрального канала и изолирована от полости бокового канала бурильной колонны.

В этом устройстве забой расширяемой части скважины не зашламовывается, так как его шлам транспортируется шнеком в полость лидирующей скважины навстречу потоку шлама и воздуха. Шлам разделяет лидирующую скважину от ее расширяемой части, и не выносится в полость большой скважины. Это позволяет отказаться в предлагаемом устройстве от формирующего кожуха и подгребателей прототипа, а осуществление выноса шлама по центральному каналу и от шнека по всей длине колонны.

Из анализа вышеприведенных аналогов и предлагаемого устройства видно, что последнее включает в себе известные технические устройства. Например, подающие лопасти переходника по а.с. СССР N 977627. Однако, в нашем устройстве эти лопасти выполняют транспортирующую роль, а в аналоге это только отбойные поверхности. Причем транспортируют шлам расширяемой части скважины против тока шлама воздушной связи с забоя лидирующей скважины, поэтому шнек смешивает их перед шламоприемными окнами. Последнее обстоятельство имеет большое значение для связывания пыли, когда на забой расширяемой части скважины подается вода. В расширителе со шнековым фонарем шлам в скважине находится под действием собственного веса, а передний фонарь только на коротком отрезке пути регулирует его поступление и движение по заранее пробуренной скважине. А в нашем устройстве шнек не только транспортирует шлам против тока шламовоздушной смеси, но вместе с первым герметизирует и разделяет полости лидирующей и расширяемой части скважины, а это создает благоприятные условия для подачи на забой большой скважины воды.

От обычного шнекового транспортера отличается тем, что герметизирует и разделяет полости двух скважин и на выходе смешивает их шлам.

Если рассмотреть предлагаемое устройство совместно с водоподающим устройством, установленным на буровой колонне или у устья скважины, что не имеет принципиального значения, то существенные технические отличия только усиливаются. И в ходе поиска аналогов по патентным литературным и др. источникам мы не нашли аналогичного сочетания, хоть и известных устройств. В предлагаемом устройстве можно выделить новые свойства, которые вызваны только этим новым сочетанием:
вода через мокрый шлам связывает пыль "сухого" забоя и увлажняет поток сухого воздуха с пылью;
шлам на шнеке служит как герметизатор, разделяющий полость "мокрого" и "сухого" забоем, и вода не стекает на забой лидирующей скважины, а воздух не выходит в полость большей скважины;
устройство не требует специальных мер по борьбе с замерзанием воды, т.к. нет ее обратной циркуляции;
устройство может включать все виды породоразрушающего инструмента: режущие, ударные, ударно-вращательные и др.

значительно разупрочнять породу внесением в воду добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Последнее обстоятельство является исключительным по своей важности, т.к. известно, что растворы ПАВ широко применяются в геологоразведочном бурении, и, благодаря их физико-химическому воздействию на породы, последние разупрочняются, скорость бурения повышается в 1,2 2,0 раза, стойкость инструмента в 1,2 1,6 раза, а энергозатраты уменьшаются 1,5 2,0 раза. И наше предложение делает возможным применение такого мощного технологического приема, как применение ПАВ, которое раньше было немыслимым при очистке забоя воздухом.

Все это позволяет нам сделать вывод, что предлагаемое сочетание известных устройств для бурения обладает новизной и существенными отличиями по сути, т. е. новыми качествами, которые не являются арифметической суммой качества каждого отдельно взятого приема в известных способах бурения.

Предлагаемое устройство может также включать дополнительные конструктивные элементы, которые будут только улучшать его работу, прочность или повышать технологичность его изготовления. Например, расположение шламоприемных окон на корпусе шнекового транспортера на разных уровнях уменьшит концентрацию напряжений. Для равномерной подачи шлама от забоя лидирующей скважины в шламоприемные окна необходимо также установить подающие лопасти снизу на шнековом транспортере, аналогичные устройству по а.с. СССР N 977697.

Для образования котлового уширения во взрывных скважинах устройство снабжается расширителем аналогичным расширителю по а.с. СССР N 333268 фиг.5 или по а.с. СССР N 438773. Для расширения скважины без извлечения расширителя на поверхность последний обычно снабжается подвижным патроном, благодаря которому при его положении на разных уровнях относительно долота расширитель фиксируется в рабочее или в нерабочее положения. В соответствии с этим наружная воздухоподводящая магистраль должна иметь возможность изменять свою длину, согласно подъему и опусканию подвижной части расширителя. На фиг.5 это выполняется установкой переходника из гибкого шланга с соответствующим запасом длины. В предлагаемом устройстве воздухоподводящая магистраль может быть выполнена в виде труб, установленных на одинарной буровой колонне. Это позволяет применить устройство на эксплуатируемых станках без демонтажа колонны. Причем трубы могут быть проложены как снаружи так и внутри колонны или навиты и приварены на нее. Последнее обстоятельство позволяет передать наибольший крутящий момент на расширитель при бурении скважин большого диаметра колонной, нерасчитанной на такие нагрузки.

На фиг. 1 показано устройство для бурения скважин большого диаметра; на фиг. 2 то же устройство с оросителем для подачи воды или раствора ПАВ; на фиг. 3 шнековый транспортер со шламоприемными окнами, расположенными на разных уровнях; на фиг.4 шнековый транспортер с нижними подающими лопастями; на фиг. 5 то же устройство для создания котлового уширения во взрывных скважинах.

Устройство содержит двойную колонну 1, расширитель скважин 2, шнековый транспортер 3 и шарошечное долото 4. Транспортер имеет кольцевую межтрубную полость 5, осевой канал 6 для выноса шлама, сообщающиеся с соответствующими каналами двойной колонны. На наружной поверхности транспортера выполнены подающие лопасти 7, противоположной вращению навивками. В конце лопастей выполнены шламоприемные окна 8. Для подавления пыли, разупрочнения пород забоя расширяемой части скважины и охлаждения вооружения расширителя над долотами расширителя установлены оросители 9, фиг.2. Шламоприемные окна могут быть расположены на разных уровнях для уменьшения ослабления корпуса транспортера, фиг.3, а для равномерной подачи шлама с забоя лидирующей скважины на наружной поверхности транспортера выполнены нижние подающие лопасти 10, имеющие направление навивки противоположное верхним подающим лопастям фиг.4. Лопасти могут быть выполнены как однозаходными, так и многозаходными в соответствии с числом шламоприемных окон.

Для создания котлового уширения при бурении взрывных скважин устройство снабжается расширителем 11, механизмом для приведения расширителя в рабочее и транспортное положение 12, фиг. 5. Воздух может подаваться на забой по трубам 13, через гибкий шланг 14 и коробчатые лопасти 15. Механизм состоит из корпуса расширителя 16, верхнего стакана 17, нижнего стакана 18, принцип действия аналогичен расширителю по а.с. СССР N 333267.

Устройство работает следующим образом. Для бурения скважины большого диаметра двойную колонну меньшего диаметра соединяют с долотом такого же или чуть большего диаметра посредством шнекового транспортера 3 с расширителем скважины 2. В начальный момент забуривания воздух через кольцевую полость 5 подается к породоразрушающим элементам пилот-долота 4 и, охлаждая их, он захватывает выбуренные частицы и выносит в кольцевой зазор скважины. Потоком воздуха частицы породы направляются к шламоприемным окнам 8. Лопасти 7 препятствуют проникновению выбуренных частиц до расширителя и направляют их к шламоприемным окнам.

При дальнейшей углубке скважины вступают в работу расширитель 2 и шнековый транспортер 3. Причем расширитель формирует конусообразный забой, вершиной обращенный к лидирующей скважине. Поэтому буровая мелочь падает на лопасти 7, захватывается ими и, заполняя межвинтовые впадины, транспортируется к шламоприемным окнам 8, а оттуда подхватывается воздухом и уносится в осевой канал 6 вместе со шламом забоя лидирующей скважины.

Шлам в межвинтовых впадинах препятствует выходу воздуха в полость большой скважины, и весь воздух поступает из канала 5 в канал 6. Поэтому транспортирующая способность воздуха по центральному каналу абсолютно не зависит от диаметра расширенной части скважины. Это делает предлагаемое устройство универсальным относительно диаметра бурения. Нужно только иметь необходимый комплект расширителей.

При установке оросителя над расширителем, фиг.2, или при подаче воды или раствора ПАВ прямо на устье расширяемой скважины забой смачивается водой или раствором ПАВ, вооружение расширителя интенсивно охлаждается, а мокрый шлам падает на лопасти и при вращении снаряда захватывается ими, затем транспортируется шнеком в шламоприемные окна. При подаче воды, превышающей полную влагоемкость шлама, проходные сечения межвинтовых впадин могут уменьшаться по ходу движения шлама и тогда излишняя вода будет отжиматься. Однако при оптимальной подаче воды излишка не будет, следовательно, проходные сечения межвинтовых впадин могут быть постоянными.

Таким образом, при правом вращении бурового снаряда обеспечивается равномерная принудительная подача выбуренной породы от сухого забоя лидирующей скважины снизу и от мокрого забоя расширителя сверху в шламоприемные окна, где сухой и мокрый шлам подхватывается потоком воздуха, поступают в осевой канал и смешиваются. В центральном канале двойной трубы мокрый шлам, перемешиваясь с сухим шламом, улавливает на своей поверхности сухую пыль и тем самым уменьшает пылевыделение в рабочей зоне станка.

Шнековый транспортер передает вращающий момент пилот-долоту, а шламоприемные окна ослабляют корпус транспортера. Для уменьшения концентрации напряжения от шламоприемных окон последние выполнены на корпусе транспортера на различных уровнях, фиг.3. Для равномерного поступления шлама в шламоприемные окна, чтоб повысить их пропускную способность на корпусе транспортера выполнены нижние подающие лопасти с навивкой, противоположной навивке верхних подающих лопастей, фиг.4. В этом случае шламовоздушная смесь по нижним лопастям поднимается вверх навстречу потоку шлама с забоя расширяемой части скважины и вместе с ним поступает в шламоприемные окна и далее в центральный канал.

При использовании предлагаемого устройства в создании котлового уширения во взрывных скважинах без демонтажа буровой колонны воздух для очистки шлама подается через трубы 13, гибкий шланг 14 и коробчатые лопасти 15, фиг.5. При этом расширитель 11 имеет механизм 12 для приведения в рабочее и транспортное положения. Для осуществления основного бурения колонна с долотом и с расширителем поднимается над забоем. При этом рычаги расширителя складываются, шарошки утопают в углубления в корпусе расширителя. При этом корпус расширителя 16 (в а.с. N 333267 патрон 9) занимает крайнее нижнее положение и входит своими выступами в расширенную часть пазов стакана 17. При последующем вращении бурового станка вправо и нажатии долота на забой стакан поворачивается вместе с колонной и корпус расширителя упирается выступами в ступени пазов станка. При поворачивании стакана рычаги расширителя не поворачиваются вокруг оси скважины, т.к. стакан 17 может вращаться относительно опорного стакана 18.

Для расширения скважины буровой став вращают влево, и выступы корпуса расширителя выходят со ступеней пазов правым вращением. При этом гибкий шланг сгибается, корпус расширителя перемещается в стакане вверх и рычаги и шарошки раздвигаются и последние врезаются в стенки скважины до тех пор, пока стакан 17 не упрется в буртик корпуса расширителя 16. Тогда осевое усилие передается и на долото, т.е. можно бурить с одновременным расширением скважины для котлового заряда. По окончании расширения буровой став поднимают, при этом корпус расширителя занимает крайнее нижнее положение, а рычаги с шарошками частично утопают в гнездах в корпусе расширителя, а шланг выправляется.

Для примера рассмотрим бурение скважины диаметром 320 мм с одновременным бурением лидирующей скважины диаметром 160 мм. Станок СБШ-320 имеет подачу воздуха 50 м³/мин, механическая скорость бурения на различных комбинатах составляет от 6 до 20 м/час. Однако известно, что режущим инструментом на дисперсных или в мягких породах достигается скорость бурения до 60 м/час.

Станки для бурения скважин ⊘ 160 мм вращательным способом оснащаются для продувки компрессором с подачей 10 м³/мин. Следовательно, для очистки забоя лидирующей скважины достаточен расход воздуха 10 м³/мин. Проверим этот расход на допустимую концентрацию потока буровой мелочи, образованного шламам лидирующей скважины и расширяемой. Проверку проводим по методике В.А. Перетолчина.

где V_м объем буровой мелочи в единицу времени,
V_п объем потока, который занимает буровая мелочь.

где d 32 см диаметр скважины,
бурения
Тогда
В этом потоке воздуха будет меньше за минусом объема мелочи. К тому же для особо благоприятных условий можно принять 0,3 0,4, а выдача мелочи через двойную трубу представляет как раз это благоприятное условие. Следовательно, расчет по допустимой концентрации выполнен с большим запасом.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить расход воздуха с 50 м³/мин до 10 м³/мин, т.е. является промышленно применимым.

Количество подаваемой воды с добавками ПАВ для увлажнения и разупрочнения забоя скважины большого диаметра определяется экспериментально. Для шарошечного или ударного способов бурения воды подается только для пылеподавления, т.е. для увлажнения буровой мелочи. Для режущего инструмента количество воды определяется из условия охлаждения резцов. При этом, если чрезмерно увлажняется буровая мелочь, излишняя вода выжимается шнеком. Таким образом, вода будет уходить только с мокрой буровой мелочью и испаряться при охлаждении резцов. Само водоподающее устройство для эффективного охлаждения может в виде сопла устанавливаться так, чтоб подавать ее непосредственно в зону резания. Однако для шарошечного инструмента вода может подаваться любым способом, даже прямо с устья скважины. Таким образом, подача воды на забой тоже не представляет реальных трудностей и предлагаемое устройство является вполне промышленно применимым.

Предлагаемое устройство для бурения по сравнению с известными имеет следующие преимущества:
уменьшение потребного количества воздуха. Вместо 50 м³/мин достаточно подавать на забой 10 м³/мин при бурении скважин диаметром 320 мм;
более эффективное охлаждение резцов и очистка забоя скважины большого диаметра, чем при бурении с воздухом;
улучшение условий обслуживания бурового танка за счет существенного уменьшения пылевыделения;
возможность использования в породоразрушающем инструменте сверхтвердых алмазоподобных материалов в качестве резцов для бурения скважин большого диаметра, а это уменьшит массу станка, так как для него не нужно создавать большое осевое усилие;
возможность использования в качестве расширителя для бурения уширения во взрывных скважинах;
в стране может быть сокращен существенно типаж буровых станков, благодаря возможности бурить без и с расширителями разного диаметра и легкости их замены;
возможность использования растворов поверхностно активных веществ в качестве понизителей твердости.

Использование: в горном деле для бурения скважин большого диаметра и шахтных стволов. Сущность изобретения: устройство содержит привод, бурильную колонну с осевым и боковым каналами и шламоприемными окнами, пилот-долото, расширитель и шнековый транспортер, размещенный на внешней поверхности бурильной колонны между пилот-долотом и расширителем. Лопасть транспортера выполнена с направлением навивки, противоположным направлению вращения бурильной колонны, а шламоприемные окна размещены между пилот-долотом и транспортером и выполнены в виде радиально установленных патрубков, полость которых сообщена с полостью осевого канала и изолирована от полости бокового канала. Устройство снабжено установленным над расширителем узлом для орошения жидкостью забоя расширенной части скважины. Транспортер может быть выполнен многолопастным, а шламоприемные окна могут быть выполнены на разных уровнях под каждой лопастью. Кроме того, транспортер снабжен дополнительной лопастью, размещенной между пилот-долотом и основной лопастью. Боковой канал в устройстве может быть образован жестко закрепленным на колонне трубопроводом и выполненным с полыми лопастями, причем полости трубопровода и лопастей сообщены между собой гибким шлангом. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для бурения скважин большого диаметра, включающее привод, имеющую осевой и боковой каналы бурильную колонну со шламоприемными окнами, пилот-долото, расширитель и шнековый транспортер, отличающееся тем, что транспортер размещен на внешней поверхности бурильной колонны между пилот-долотом и расширителем, а лопасть транспортера выполнена с направлением навивки, противоположным направлению вращения бурильной колонны, причем шламоприемные окна размещены между пилот-долотом и транспортером и выполнены в виде радиально установленных патрубков, полость которых сообщена с полостью осевого канала и изолирована от полости бокового канала бурильной колонны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено установленным над расширителем узлом для орошения жидкостью забоя расширенной части скважины. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что транспортер выполнен многолопастным, а шламоприемные окна выполнены на разных уровнях под каждой лопастью транспортера. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что транспортер снабжен дополнительной лопастью, размещенной между пилот-долотом и основной лопастью, причем направление навивки дополнительной лопасти противоположно направлению навивки основной лопасти, а шламоприемные окна размещены между основной и дополнительной лопастями транспортера. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой канал бурильной колонны образован жестко закрепленным на бурильной колонне трубопроводом и выполненными полыми лопастями транспортера, причем полости трубопровода и лопастей сообщены между собой гибким шлангом.