СПОСОБ ПРОХОДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ОДНОВРЕМЕННЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КОММУНИКАЦИОННОГО ПРОФИЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, строительству тоннелей, прокладки коммуникаций, а в основном к бурению.

Известен способ проходки горных выработок с одновременным формированием коммуникационного профиля, согласно которому формовочную смесь подают под давлением по трубопроводам к осуществляющей проходку под воздействием осевого усилия, профилирующей головке и за счет отверждения формовочной смеси в грунте формируют коммуникационный профиль с несколькими каналами.

Недостатком данного способа является то, что подача формовочной смеси по трубам к механизму раздачи должна опережать время отверждения формовочной смеси, потому длина горной выработки равна той длине какую проходит формовочная смесь по трубам до ее отверждения. Время отверждения не может быть больше также, иначе после выхода коммуникационного профиля из-под опалубок он не успеет затвердеть и обрушится, к тому же остановка работы до полного ее завершения и удаления формовочной смеси из труб также невозможна. По-видимому эффективность данного способа ограничена несколькими десятками метров проходки скважины. Это решение принято за прототип.

Известно, устройство для прокладки в грунте скважин с одновременным возведением обделки, включающее пневмопробойник с хвостовиком, в корпусе которого расположены каналы для подачи под давлением материала обделки и для подачи и отвода сжатого воздуха, отличающийся тем, что хвостовик устройства на части его длины выполнен с меньшим диаметром и его каналы для отвода сжатого воздуха соединены с полостью, образованной этой частью хвостовика и стенками скважины [2]
Недостатком данного технического решения является низкая скорость проходки, из-за больших затрат энергии на уплотнение грунта и невозможности удаления его из скважины, и так как удаление грунта из скважины уплотнения грунта, а также небольшая длина проходки скважины из-за ее неуправляемости и невозможности остановки работы из-за опасности затверждения материала обделки в подающей его трубе. Все эти недостатки ограничивают эффективность данного устройства.

Известно также "Устройство для проходки горных выработок при бестраншейной прокладке трубопроводов", состоящее из конусного наконечника, нажимной штанги, концентрических опалубок и механизма раздачи формовочной смеси, отличающееся тем, что с целью повышения качества внутренней поверхности трубопровода устройство снабжено вращателем, который связан с внутренней опалубкой, при этом последняя установлена с возможностью вращения [1]
Недостатком данного технического решения является то, что высвобождение объема для скважины обеспечивается за счет уплотнения грунта движением конусного наконечника, что требует значительных нагрузок на нажимные штанги, тем более, что винтовые выступы вращателя перемещаясь в уже уплотненном грунте создают дополнительную нагрузку на нажимную штангу. С увеличением длины выработки возрастают нагрузки по доставке формовочной смеси и возрастает отклонение от намеченного направления выработки. Все это ограничивает эффективность данного устройства в лучшем случае несколькими десятками метров проходки горной выработки. Это решение принято за прототип.

Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков аналога и прототипа, расширения сферы применения особенно в совершенствовании добычи полезных ископаемых, в том числе более полного извлечения нефти и газа из любых месторождений, резкого удешевления их добычи по экологически чистой технологии, прокладки различных коммуникаций без рытья траншей, использования в шахтах и рудниках, строительство тоннелей. Все это за счет управляемого бурения с одновременным формированием коммуникационного трубопровода.

Техническим результатом от использования изобретения является то, что отпадает необходимость бурения множества скважин на нефтегазовых месторождениях, так как достаточно одного управляемо-формируемого дренажного коллектора неограниченной длины, через который может извлекаться практически вся нефть и газ из месторождения, в том числе ценные сорта очень густой нефти, какую сейчас добывают шахтным способом. Техническим результатом является также то, что обеспечивается управление направлением бурения скважины, а также, то, что отпадает необходимость в использовании различной землеройной техники для рытья траншей под различные коммуникации, особенно в городах с перекрытием дорожного движения, обходом препятствий, так как канализация, горячая и холодная вода, газ, различные кабели в том числе и сверхпроводящие проводятся на любой необходимой глубине, кратчайшим путем, а также то, что применение гранул взрывчатого вещества (ВВ) позволяет не только увеличить скорость проходки скважин, но и определять местонахождение профилирующей головки, прокладывать наиболее выгодный маршрут для скважины за счет регистрации геофизическими приборами акустических колебаний испускаемых детанирующими гранулами ВВ из зоны бурения скважины. Техническим результатом является также то, что в нужном месте трубопровод преобразовывается в дренажный коллектор и наоборот, а возможная длина трубопровода равна той длине, на какую возможна перекачка жидкости по нему.

Указанный технический результат достигается тем, что формовочную смесь образуют путем подачи ее компонентов в жидкой фазе, например в виде эпоксидной смолы и отвердителя по разным трубопроводам к профилирующей головке, где компоненты смешивают с образованием твердой фазы смеси в виде коммуникацинного профиля и за счет вытеснения профиля на длину его отверждения из профилирующей головки, компоненты из трубопроводов к профилирующей головке подают по каналам профиля, а профилирующую головку перемещают в направлении проходки выработки. Технический результат достигается также тем, что для изменения направления движения головки изменяют давление рабочего тела в разных каналах профиля, с упругой деформацией головки и искривлением формирования профиля. Технический результат достигается тем, что на внутреннюю поверхность каналов профиля наносят электропроводный слой с возможностью защиты поверхности каналов от агрессивной среды, например металлического порошка, носителем которого является отвердевающий реагент, для чего используют кольцевые проточки на профилирующих трубках и сообщающиеся с ними каналы.

Технический результат достигается также тем, что для ускорения проходки гранулы взрывчатого вещества (В.В.) добавляют в компоненты рабочего тела состоящие на основе, например, щелочи и кислоты, которую подают в зону бурения раздельно, с детонацией гранул В.В. от химической реакции между ними.

Технический результат достигается также тем, что "Устройство для осуществления способа проходки, содержащее профилированную головку и опорную крышку, связанную с трубопроводом для подачи формовочной смеси, отличающееся тем, что в профилированной головке выполнена рабочая камера, в которой размещены профилирующие трубки, связанные каналами с жиклерами кольцевых каналов, выполненных в дне рабочей камеры, при этом верхние концы профилирующих трубок совмещены с трубопроводами для подачи компонентов формовочной смеси, а нижние с дном камеры, внутренняя поверхность которой имеет покрытие из антифрикционного материала, например, тефлона".

Подача компонентов формовочной смеси, например, эпоксидной смолы и отвердителя по разным трубопроводам к профилирующей головке, позволяет находиться компонентам в трубопроводах неограниченно долго без риска затвердеть, как в случае например, с цементным раствором.

Смешивание компонентов в головке с образованием твердой фазы смеси в виде коммуникационного профиля позволяет заполнить камеру смесью компонентов и закрепить профиль за счет его отверждения на опорной крышке с трубопроводами.

За счет вытеснения профиля на длину его отверждения из профилирующей головки подача компонентов из трубопровода к профилирующей головке по каналам профиля, а перемещение профилирующей головки в направлении проходки выработки позволяет избавиться от связанных с головкой и потому перемещающихся вместе с ней подающих формовочную смесь трубопроводов и нажимных штанг и за счет этого исключить влияние длины выработки на перемещение профилирующей головки в направлении проходки выработки. Изменение давления в разных каналах с упругой деформацией головки и искривлением формирования профиля, позволяет обеспечить управление направлением движения головки за счет упругой деформации головки на участке заполненном жидкой фазой смеси компонентов, что позволяет несколько увеличить или уменьшить длину каналов в головке с какой-то одной ее стороны, обеспечив тем самым головку некоторым радиусом поворота при движении вперед. Нанесение электропроводного слоя на стенки канала профиля, компонентами которого являются, например, металлический порошок на основе отвердевающих реагентов, позволяет обеспечить управление бурением через обратную связь (т.к. определение, в каком положении, где и в какой среде находится головка, обеспечивается известными средствами) защитить стенки каналов от агрессивной среды, армировать их, когда профиль пористый и рыхлый, а также обеспечивать сверхпроводимость приспособив для этого электропроводный слой и сформировав профиль из теплоизолирующих материалов, например, пенопласта с прокачкой по каналам профиля, например, жидкого азота, такой профиль может быть сформирован в уже готовом трубопроводе, а также использоваться как обычный кабель. Подача компонентов в кольцевые проточки с внутренней стороны профилирующей трубки по перемычкам в виде тонких трубок из кольцевых каналов, позволяет упростить доставку компонентов из кольцевых каналов в кольцевые проточки за счет отказа от сложности выполненных каналов в стенках профилирующих трубок. Добавление гранул В.В. в рабочее тело с детонацией от химической реакции компонентов рабочего тела, например на основе щелочи и кислоты, которые подают по разным каналам профиля в зону бурения, позволяет значительно ускорить проходку скважин, а также расстояние, между зоной бурения и регистрирующими геофизическими приборами, просвечивать как "рентгеном" ударными волнами из зоны бурения, и за счет перемещения этой зоны получать меняющуюся картину, что позволяет управлять бурением скважины с определением наиболее выгодного маршрута бурения.

Устройство для осуществления способа проходки, содержащее рабочую камеру с выполненными в ней профилирующими трубками, верхние концы которых совмещены с трубопроводами в опорной крышке, а нижние концы совмещены с кольцевыми каналами и с жиклерами последних, расположенных на дне камеры, позволяет обеспечить механическую прочность каналов на участке жидкой фазы смеси между границей полного отвердения и дном камеры, обеспечить раздельную подачу компонентов в камеру и рабочего тела в зону бурения, а также отклонять головку в любую сторону за счет изменения давления в разных каналах профиля. Внутренняя поверхность камеры, выполненная из антифрикационного материала, например, тефлона, позволяет исключить приклеивание профиля к внутренней поверхности камеры и обеспечить вытеснение головки с профиля. Перемычка, расположенная вдоль профиля, примыкающая торцами к стенкам и дну камеры с выполненным в ней каналом нижний конец которого сообщен с кольцевым каналом, а верхний сообщен с проточками, выполненными по обе стороны от верхней кромки перемычки и примыкающие к обоим сторонам стенок камеры, позволяет смыкать и размыкать вытесняемый со дна камеры еще неотвердевший профиль, над перемычкой, за счет подачи, например, эпоксидной смолы без отвердителя в проточки у верхней кромки перемычки, которая, вытекая из проточек, занимает объем смыкания стенки трубы образует жидкую перемычку, вытесняется вместе с профилем из головки и вытекает, образуя сквозную щель в стенке трубы. При остановке подачи компонента в проточки стенка трубы смыкается над кромкой перемычки и сшивается, что позволяет применить отдельный канал для ее перфорации.

На чертежах дано устройство для осуществления способа проходки, где фиг. 1 профилирующая головка; сечение А-А, продольный разрез; фиг.2 то же, сечение Б-Б, поперечный разрез; фиг.3 нанесение электропроводного, защитного и армирующего слоя и жиклеры, сечение В-В, продольный разрез; фиг.4 - перемычка для перфорации трубы, сечение Г-Г, продольный разрез; фиг.5 то же, сечение Д-Д, вид с боку.

Устройство для осуществления способа проходки включает в себя: опорную крышку 1, с трубопроводами 2 9, профилирующую головку 10, с рабочей камерой 11, в которой выполнены профилирующие трубки 12 19, примыкающая торцами к стенкам и дну камеры перемычка 20 и расположенные на дне камеры жиклеры компонентов 21. Компоненты в твердой фазе образуют каналы 22 29 вместе с профилем 30. Жиклеры 21 посредством кольцевых каналов 31 и 32 сообщаются с каналами компонентов 23 и 25. Кольцевые проточки 33 сообщаются с кольцевыми каналами 34 и 35 через трубки 36, расположенные в профилирующих трубках 12 - 19, с каналами 27 и 29. Канал 31 сообщается через редукционный клапан 37, через канал 38 с проточками 39 выполненными по обе стороны от верхней кромки перемычки 20. Каналы 22, 24, 26, 28 сообщаются с каналом 40 через зону перед рабочим инструментом 41.

Устройство для осуществления способа проходки действует следующим образом: при подаче компонентов, например, эпоксидной смолы по трубопроводу 3 и отвердителя по трубопроводу 5, они поступают далее по совмещенным с трубопроводами профилирующим трубкам 13 и 15 в кольцевые каналы 31 и 32 и далее в жиклеры 21, заполняют рабочую камеру 11. По мере отверждения профиля 30 в камере 11, поступающие компоненты из жиклеров 21 вытесняют профиль 30 из камеры 11 и перемещают головку 10 вперед, вместе с тем трубопроводы 2 9 и профилирующие трубки 12 19 размыкаются и связь головки с трубопроводами осуществляется по каналам 22 29, при этом в зону бурения перед инструментом 41 начинает поступать рабочее тело из каналов 22, 24, 26 и 28, а также как выходы этих каналов (на чертеже не показаны) находятся на периферии рабочего инструмента 41, то осевое усилие головки 10, вжимающее рабочий инструмент 41 в грунт, вынуждает рабочее тело, устремляющееся в канал 40 в центре профиля 30, размыкать его и освобождать путь перед инструментом 41. При необходимости ускорения проходки скважины с получением информации о геологии для управления направлением проходки, в рабочее тело добавляют гранулы ВВ с их детанацией в зоне бурения от химической реакции между компонентами. Для формирования дренажного коллектора давление в канале 31 эпоксидной смолы повышается с тем, чтобы редукционный клапан 37 открылся, а чтобы при этом направление и скорость проходки не изменились давление в каналах рабочего тела 22, 24, 26, 28 и отвердителя 32 балансируют в допустимых пределах, чтобы скорость перемещения головки 10 не превысила скорость отверждения профиля 30. Через открытый клапан 37 эпоксидная смола по каналу 38 поступает в проточки 39, а из них вытекая смыкается над верхней кромкой перемычки 20 образуя жидкую перемычку и по мере ее вытеснения вместе с профилем 30 давление в канале 31 уменьшают клапан 37 закрывается, из проточек 39 эпоксидная смола не вытекает, при этом еще не отвердевший профиль 30 смыкается над перемычкой 20 из-за действующего в камере 11 давления, и сшивается. Жидкая перемычка по выходу вместе с профилем 30 из камеры 11, вытекает образуя сквозную щель в стенке трубы. С повышением давления в канале 31 все повторяется.

Использование: изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано при строительстве туннелей, прокладки коммуникаций. Сущность изобретения: способ проходки горных выработок включает подачу формовочной смеси под давлением к профилирующей головке, при этом формовочную смесь образуют путем подачи ее компонентов в жидкой фазе по разным трубопроводам, где компонентного профиля и за счет вытеснения профиля на длину его отверждения из профилирующей головки, перемещают последнюю в направлении проходки, причем устройство для осуществления способа включает профилирующую головку и опорную крышку, связанную с трубопроводом для подачи формовочной смеси, при этом в профилирующей головке выполнена рабочая камера, в которой размещены профилирующие трубки, верхние концы которых совмещены с трубопроводами для подачи компонентов формовочной смеси, а нижние - с дном камеры, внутренняя поверхность которой имеет покрытие из антифрикционного материала. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1 1. Способ проходки горных выработок с одновременным формированием коммуникационного профиля, согласно которому формовочную смесь подают под давлением по трубопроводам к осуществляющей проходку под воздействием осевого усилия профилирующей головке, отличающийся тем, что формовочную смесь образуют путем подачи ее компонентов в жидкой фазе, например в виде эпоксидной смолы и отвердителя, по разным трубопроводам к профилирующей головке, где компоненты смешивают с образованием твердой фазы смеси в виде коммутационного профиля и за счет вытеснения профиля на длину его отверждения из профилирующей головки, компоненты из трубопроводов к профилирующей головке подают по каналам профиля, а профилирующую головку перемещают в направлении проходки выработки. 2 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для изменения направления движения головки изменяют давление рабочего тела в разных каналах профиля с упругой деформацией головки и искривлением формирования профиля.2 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность каналов профиля наносят электропроводный слой с возможностью защиты от агрессивной среды поверхности каналов, например металлического порошка, носителем которого является отвердевший реагент, для чего используют кольцевые проточки на профилирующих трубках и сообщающиеся с ними каналы.2 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что для ускорения проходки гранулы взрывчатого вещества добавляют в компоненты рабочего тела, состоящего, например, на основе щелочи и кислоты, которые подают в зону бурения раздельно, с детонацией гранул ВВ от химической реакции между ними.2 5. Устройство для проходки горных выработок с одновременным формированием коммуникационного профиля, содержащее профилированную головку и опорную крышку, связанную с трубопроводом для подачи формовочной смеси, отличающееся тем, что в профилирующей головке выполнена рабочая камера, в которой размещены профилирующие трубки, связанные каналами с жиклерами кольцевых каналов, выполненных в дне рабочей камеры, при этом верхние концы профилирующих трубок совмещены с трубопроводами для подачи компонентов формовочной смеси, а нижние с дном камеры, внутренняя поверхность которой имеет покрытие из антифрикционного материала, например тефлона.