СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ Российский патент 2002 года по МПК E21B7/14 

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

В процессах развития этой наукоемкой технологии известны способы образования скважин, из которых наиболее представительным и наиболее близким к изобретению является способ образования скважин в геологических структурах, включающий разрушение горной породы на забое энергией струй рабочего агента, истекающего под давлением из сопел рабочего органа, обеспечивающего воздействие на забой сформированными в виде кольца струями рабочего агента, ориентированными навстречу друг другу и к центру забоя под углом к его диаметральной плоскости с возможностью пересечения осей струй в структуре породы и подачу между этими струями нормально ориентированной к забою струи рабочего агента, удаление бурового шлама к устью скважины и формирование стенок проходимой скважины /SU 390252, 1973/.

Существенными и очевидными недостатками этого способа являются следующие: формирование струй из рабочего агента и воздействие струями на забой и стенки скважины учитывает только общие закономерности воздействия струй на горную породу, в то время как не учитываются конкретные закономерности взаимодействия струй рабочего агента с локальными площадями на забое и локальными массами разрушаемой породы, а это не позволяет учитывать и использовать для повышения эффективности способа наиболее невыгодные для породы структурные физико-механические напряжения, одновременно возникающие в трехмерном геометрическом пространстве забоя, - это не позволяет использовать эффективно усилия напряжения в массиве породы для повышения эффективности ее же разрушения, снижает разрушающую способность воздействующих на породу струй рабочего агента.

Технической задачей и результатом данного изобретения является повышение эффективности способа за счет выбора наиболее производительных процессов взаимодействия струй рабочего агента с конкретными локальными участками забоя и стенок скважины и массами породы на этих участках с учетом физико-механических напряжений, возникающих на этих участках забоя и стенке скважины.

Указанная техническая задача в изобретении решена за счет того, что способ образования скважин в геологических структурах, включающий разрушение горной породы на забое энергией струй рабочего агента, истекающего под давлением из сопел рабочего органа, обеспечивающего воздействие на забой сформированными в виде кольца струями рабочего агента, ориентированными навстречу друг другу и к центру забоя под углом к его диаметральной плоскости с возможностью пересечения осей струй в структуре породы и подачу между этими струями нормально ориентированной к забою струи рабочего агента, удаление бурового шлама к устью скважины и формирование стенок проходимой скважины, предусматривает первоначально воздействие на забой скважины кумулятивными струями рабочего агента, сформированными в виде кольца и ориентированными навстречу друг другу, а нормально ориентированную к забою струю рабочего агента выполняют кумулятивной и подают на забой с отставанием времени приложения ее к поверхности забоя на время прохождения полудлины отраженной акустической волны, возбуждаемой в породе забоя от воздействия кольцевой струи рабочего агента, вслед за этими струями на забой воздействуют кумулятивными струями рабочего агента, ориентированными под углом к периферии забоя, и эти последние кумулятивные струи ограничивают со стороны стенок проходимой скважины нормально ориентированной к плоскости забоя кольцевой струей рабочего агента, истекающего в импульсном режиме, при этом время приложения к поверхности забоя кольцевой нормально ориентированной струи рабочего агента выбирают отстающим от времени приложения кумулятивных струй, ориентированных под углом к периферии забоя, на время прохождения полудлины отраженной акустической волны, возбуждаемой в породе забоя воздействием последней указанной кумулятивной струи рабочего агента, которую формируют также в виде кольца, причем диаметр кольцевой кумулятивной струи рабочего агента, ориентированной под углом к центру забоя, выбирают так, чтобы на контакте ее с поверхностью забоя этот диаметр совпадал с диаметром кольцевой кумулятивной струи рабочего агента, ориентированной к периферии забоя, на ее контакте с поверхностью забоя, а формирование стенки скважины осуществляют путем воздействия нормально ориентированной к ней и под углом к устью скважины кольцевыми струями рабочего агента.

При этом кумулятивные струи рабочего агента формируют из его объема, получаемого при расходе порционных объемов быстрореагирующего топливного материала в рабочем органе.

А нормально ориентированные струи рабочего агента получают формированием его из перегреваемой рабочей жидкости, в которую добавляют поверхностно-активное вещество и полиэлектролитный гидрогель при соотношении соответственно на 100 м. ч. воды - 0,01 м. ч. поверхностно-активного вещества и 0,001 м. ч. полиэлектролитного гидрогеля, при перегреве этой рабочей жидкости до ее расхода из рабочего органа выше температуры парообразования.

Описываемый способ образования скважин в геологических структурах раскрывается далее более полно с приведением графических материалов, где:
на фиг. 1 показано формирование струй в рабочем органе, направляемых к центру забоя под углами и по нормали;
на фиг. 2 показано формирование тех же струй в плане;
на фиг. 3 - формирование струй, ориентированных к периферии забоя;
на фиг. 4 - струи по фиг. 3, вид в плане;
на фиг. 5 - начало процесса воздействия струями на забой;
на фиг. 6 - воздействие струями на периферию забоя;
на фиг. 7 - продолжение воздействия струями на центр забоя;
на фиг. 8 и фиг. 9 - последовательные процессы воздействий струями рабочего агента на забой и стенки скважины;
на фиг. 10 и фиг. 11 - схема и средство формирования струи;
на фиг. 12 - схема формирования кольцевой струи;
на фиг. 13 - показан общий вид бурильного агрегата;
на фиг. 14 и фиг. 15 соответственно узел "A" на фиг. 13 и сечение по I-I на фиг. 14 узла "A".

Способ образования скважин в геоструктурах осуществляют следующим образом. После подготовки рабочей площадки, монтажа превентора и бурильного агрегата осуществляют проходку скважины за счет разрушения пород энергией истекающих под давлением струй рабочего агента, при этом на забой первоначально воздействуют кумулятивными струями 1 рабочего агента, истекающими из рабочего органа 2, эти струи ориентируют навстречу друг другу к центру забоя (фиг. 1, 2, 5) и под углом к его диаметральной плоскости, оси этих струй пересекают в структуре породы, организуя этими струями встречный клиновидный удар и выкалывание породы из центральной части забоя, причем для полного воздействия на центральную часть забоя эти струи 1 формируют в виде кольца, что приводит к образованию в структуре породы конуса разрушения (фиг. 5, 6). Для эффективного разрушения конуса вырыва породы вслед за струей 1 с отставанием по времени на время прохождения длины полуволны отраженного от забоя акустического удара, вызванного воздействием на породу забоя струи 1 на забой, подают нормально к его поверхности ориентированную струю 3 рабочего агента (фиг. 1, 2, 5), направляемую в центр забоя между струями 1; эту струю 3 также формируют в виде кумулятивной струи.

Вынос бурового шлама из зоны забоя осуществляют отработанным на нем рабочим агентом и рабочим агентом струй 4 и 5, нормально и под углом ориентированных к стенке скважины, окончательно формирующими стенки скважины и создающими совместный восходящий поток 6 для выноса бурового шлама к устью скважины (фиг. 5 - 9).

Вслед за воздействием на забой струями 1 и 3 на него воздействуют кумулятивными струями 7 рабочего агента (фиг. 3, 4, 6), которые ориентируют под углом к периферии забоя в виде раскрывающегося усеченного конуса; эти струи также формируют в виде кольца.

Последние указанные кумулятивные струи 7 ограничивают со стороны стенок скважины струями 8, нормально ориентированными к диаметральной плоскости забоя, истекающей в импульсном режиме, время приложения которой к поверхности забоя выбирают отстающим от времени приложения струи 7 на время прохождения полудлины акустической волны, возбуждаемой в породе забоя воздействием последней из кумулятивных струй 7 на забой, при этом струи 7 и 8 формируют кольцевыми, что позволяет создать конус эффективного разрушения породы.

Эффективность разрушения породы существенно повышают за счет формирования кольцевой струи 1 с диаметром ее кольца на поверхности забоя, совпадающим с диаметром кольца струи 7 на этой же поверхности забоя, - это приводит к созданию условий возникновения автоколебаний в структуре пород забоя и возбуждения резонансных колебаний при воздействии кольцевой струи 8, что приводит к выведению локальных масс породы на забое из устойчивого физико-механического состояния равновесия в неравновесное квазипластическое состояние, позволяющее при значительно меньших затратах энергии создавать более выгодные условия разрушения, дробления и удаления шлама из забоя.

Формирование кумулятивных струй осуществляют за счет расхода из сопел 3, формирующих одиночные струи, и из сопел 9, формирующих кольцевые струи 1, 7 рабочего порционного дозированного агента 10, упакованного в газогидронепроницаемую оболочку 11 (фиг. 10, 11, 12). Эти порционные объемы рабочего агента берут из состава быстрореагирующего топливного материала, например из взрывчатого вещества, которое не детонирует при его расходе. Расход этого рабочего агента ведут за счет подачи на электроды 12 разрядного тока и формируют одиночные струи и струи кольцевые (фиг. 12) за счет подачи разрядного тока на электроды 12, расположенные снаружи и внутри порционного кольцевого по форме топливного элемента 13, также упакованного в оболочку 14 и имеющего в сечении своего кольца 13 диаметральную плоскостью 15, что позволяет формировать кумулятивные кольцевые 1 и 7 струи рабочего агента, направляемые на забой из рабочего органа 2, которыми оснащен бурильный агрегат 16 (фиг. 13), содержащий в своем корпусе генератор рабочего агента 17, блок программированного управления 18, дополнительный генератор рабочего агента 19 с его соплами 20, ориентированными в сторону устья скважины.

Рабочий орган 2 бурильного агрегата содержит сопла (отмеченные позициями их соответствующих струй рабочего агента); кольцевое - 1 для выработки кольцевой кумулятивной струи 1 (фиг. 1, 2, 14, 15), центральное сопло 3 для формирования одиночной центральной кумулятивной струи 3, кольцевое сопло 7 для выработки кольцевой кумулятивной струи 7 и кольцевое сопло 8 для формирования кольцевой импульсной струи 8. Для формирования таких струй рабочий орган 2 в своей полости имеет кольцевые цилиндрические полости, образованные кольцевыми перегородками 21, 22, 23 и внутренней стенкой рабочего органа (фиг. 14, 15). В этих кольцевых пространствах, между указанными перегородками, установлены клапаны дроссельного типа 24, 25, 26 и 27, отрегулированные в своих пружинящих узлах так, что пропускают рабочий агент под давлением поочередно и последовательно в сопла 1, 36 7, 8, что и обеспечивает формирование кольцевых струй и центральной струи, а также струи из сопла 8 в указанной выше строгой последовательности для эффективного осуществления способа.

Способ также реализуется и при использовании вместо порционных быстрорегирующих топливных материалов 10 и 13 рабочей жидкости, которую также порционно упаковывают в указанные оболочки 11, 14; в качестве такой рабочей жидкости берут воду с добавлением в ее объем поверхностно-активного вещества в количестве 0,01 м. ч. на 100 м. ч. воды и полиэлектролитный гидрогель в количестве 0,001 м. ч. на 100 м. ч. воды, а рабочие струи из этой жидкости получают за счет ее перегрева в соплах 9 (фиг. 10, 12) разрядом тока между электродами 12.

Описанный технологический процесс разрушения пород на забое проходимой скважины позволяет существенно повысить тактико-технические характеристики способа образования скважин в геоструктурах по экономии рабочего агента на проходку каждых 100 пог. м на 20-25%, по производительности и эффективности проходки пород - в 1,4 - 1,5 раза, по производительности процесса разрушения пород на забое - не менее чем в 1,5 раза, а также достигается более высокий уровень технологической культуры всего процесса осуществления способа.

Таким образом, разработанный и защищаемый способ технологически прогрессивен и согласуется с принципиальными направлениями развития технологий в рассмотренной области горной промышленности и строительной индустрии.

Заявителем в описании осуществления способа не раскрываются детали бурильного агрегата, как известные из уровня техники и не имеющие прямого отношения к предмету разработки по данному способу, однако при необходимости заявитель может представить более полную информацию в отношении технической сущности использованных технических средств в рамках данного изобретения.

Изобретение относится к способу образования скважин в горных породах при использовании для этого процесса преимущественно автономных бурильных агрегатов, воздействующих на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента, истекающих под давлением из рабочего органа этого агрегата. Изобретение обеспечивает повышение эффективности образования скважин. При осуществлении этой технологии на породы забоя воздействуют комплексными нагрузками от последовательно прикладываемых к забою кольцевых кумулятивных струй, формируемых из импульсно расходуемых компонентов топливного вещества, подаваемого порционно в рабочий орган бурильного агрегата. При этом последовательно на забой направляют кумулятивную кольцевую струю, ось которой ориентирована к центру забоя, на центр забоя, с заданным временем отставания, подают нормально ориентированную струю, за этим на забой подают кольцевую кумулятивную струю, ось которой ориентирована к периферии забоя, и по кольцу эту струю ограничивают нормально ориентированной к диаметральной плоскости забоя кольцевой струей рабочего агента, причем оси первой пары струй пересекают в структуре породы забоя, так же как и оси второй пары струй - пересекают в структуре породы, а место приложения обеих кумулятивных кольцевых струй на плане диаметральной плоскости забоя выбирают совпадающим с учетом времени приложения и углубления забоя от последовательного воздействия таких согласованных пар струй, вслед за которыми на забой воздействуют нормально и под углом к устью ориентированными кольцевыми струями рабочего агента, формируя стенки скважины. 1с. и 2 з. п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ образования скважин в геологических структурах, включающий разрушение горной породы на забое энергией струй рабочего агента, истекающего под давлением из сопел рабочего органа, обеспечивающего воздействие на забой сформированными в виде кольца струями рабочего агента, ориентированными навстречу друг другу и к центру забоя под углом к его диаметральной плоскости с возможностью пересечения осей струй в структуре породы и подачу между этими струями нормально ориентированной к забою струи рабочего агента, удаление бурового шлама к устью скважины и формирование стенок проходимой скважины, отличающийся тем, что первоначально на забой скважины воздействуют кумулятивными струями рабочего агента, сформированными в виде кольца и ориентированными навстречу друг другу, а нормально ориентированную к забою струю рабочего агента выполняют кумулятивной и подают на забой с отставанием времени приложения ее к поверхности забоя на время прохождения полудлины отраженной акустической волны, возбуждаемой в породе забоя от воздействия кольцевой струи рабочего агента, вслед за этими струями на забой воздействуют кумулятивными струями рабочего агента, ориентированными под углом к периферии забоя и эти последние кумулятивные струи ограничивают со стороны стенок проходимой скважины нормально ориентированной к плоскости забоя кольцевой струей рабочего агента, истекающего в импульсном режиме, при этом время приложения к поверхности забоя кольцевой нормально ориентированной струи рабочего агента выбирают отстающим от времени приложения кумулятивных струй, ориентированных под углом к периферии забоя, на время прохождения полудлины отраженной акустической волны, возбуждаемой в породе забоя воздействием последней указанной кумулятивной струи рабочего агента, которую формируют также в виде кольца, причем диаметр кольцевой кумулятивной струи рабочего агента, ориентированной под углом к центру забоя, выбирают так, чтобы на контакте ее с поверхностью забоя этот диаметр совпадал с диаметром кольцевой кумулятивной струи рабочего агента, ориентированной к периферии забоя, на ее контакте с поверхностью забоя, а формирование стенки скважины осуществляют путем воздействия нормально ориентированной к ней и под углом к устью скважины кольцевыми струями рабочего агента. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кумулятивные струи формируют из рабочего агента, получаемого при расходе порционных объемов быстрореагирующего топливного материала в рабочем органе. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нормально ориентированные струи рабочего агента формируют из перегреваемой рабочей жидкости, в которую добавляют поверхностно-активное вещество и полиэлектролитный гидрогель при соотношении, соответственно, на 100 м. ч. воды - 0,01 м. ч. поверхностно-активного вещества и 0,001 м. ч. полиэлектролитного гидрогеля, при перегреве этой рабочей жидкости до ее расхода из рабочего органа выше температуры парообразования.