РАСШИРИТЕЛЬ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН Российский патент 2002 года по МПК E21B7/28 E02F5/18 

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для расширения горизонтальных скважин, а также слабонаклонных при прокладке подземных бестраншейных коммуникаций.

Известно устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов (авторское свидетельство СССР 1364667, МПК Е 02 F 5/18, 1986 г.), включающее внешнюю и внутреннюю колонны труб, пневмопробойный механизм, соединенный с внешней колонной. После прикладывания ударных импульсов колонны совместно погружают, а внутреннюю трубу извлекают из внешней для очистки.

Недостатком известного устройства является то, что передача ударных импульсов на все трубы может вызвать разрушение соединительных элементов или сварных швов внутренней и внешней колонн труб и особенно при большом диаметре труб, а также разрушение и преждевременный вывод системы подачи, выполненной в виде силовых узлов. Из-за отсутствия режущих и фрезерующих элементов устройство вообще не рассчитано на разрушение прослоек крупных пород, валунов и т. п. В ходе работ приходится часто извлекать внутреннюю колонну труб для извлечения грунта, что отрицательно сказывается на механической скорости бурения. Указанные обстоятельства и отсутствие возможностей передачи вращательного узла, например, для извлечения породы снижает функциональные возможности устройства. Устройство не рассчитано также на перемещение труб в крепких породах с включениями валунов и фрагментов асфальтобетона или железобетона из-за отсутствия режущих или фрезерующих приспособлений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является расширитель горизонтальных скважин, описанный в авторском свидетельстве СССР 1532681, МПК Е 21 В 7/28, Е 21 С 1/00, 1989 г., бюл. 48. Расширитель включает цилиндрический приемный лоток, загрузочное окно, шнековый буровой став и шнековый буровой снаряд, режущие элементы.

Недостатком является то, что предусмотрено вести расширение от буровой установки с помощью внешней колонны труб и шнекового снаряда только с применением вращательного способа бурения с поступлением разрушенной породы лишь через одно окно. Это ограничивает функциональные возможности известного устройства, снижает механическую скорость процесса расширения, не обеспечивает надежности возможности увеличения диаметра и протяженности скважин и особенно в неустойчивых песчаных и плывунных отложениях. Устройство не рассчитано вообще на применение труб футляров для прокладки подземных коммуникаций и возможности разрушения крепких пород, валунов, фрагментов асфальтобетона и железобетона из-за отсутствия технических средств для передачи ударных импульсов.

Изобретение направлено на увеличение функциональных возможностей расширителя, повышение скорости процесса расширения, надежности перемещения труб, увеличение диаметра и глубины и повышение эффективности за счет передачи расширителю ударно-вращательных импульсов.

Это достигается тем, что в расширителе горизонтальных скважин, включающем внешнюю колонну труб, шнековый буровой снаряд и секцию шнекового бурового става, размещенную внутри цилиндрического приемного лотка с загрузочным окном и режущими элементами, согласно предлагаемому решению шнековый буровой снаряд снабжен соосным с ним шлицевым валом, входящим по щлицам в полый вал шнекового бурового става, приемный лоток соединен с внешней колонной труб переводником, выполненным в виде двух цилиндрообразных соединительных узлов, где узел меньшего диаметра по шлицевым элементам одним концом входит в узел большего диаметра, содержащий ограничитель для ограничения поступательного осевого движения, при этом соединительный узел большего диаметра жестко связан с цилиндрическим приемным лотком, а узел меньшего диаметра в осевом направлении подвижно соединен с внешней колонной труб, а с противоположной стороны приемный лоток снабжен генератором ударных импульсов с соединением между собой по центру с помощью цилиндрообразного и штокообразного узлов, где штокообразный узел одним концом входит в цилиндрообразный и снабжен совместным с ним отверстием, а другим концом жестко соединен с ударной частью генератора ударных импульсов, при этом цилиндрообразный узел жестко соединен с торцом цилиндрического приемного лотка, который кроме этого связан с задней зависающей частью генератора ударных импульсов упругими растяжками с крепежными приспособлениями, расположенными в радиальном положении относительно оси цилиндрического приемного лотка, при этом последний выполнен с постоянным диаметром по всей длине и с торцами в форме усеченного конуса, а загрузочное окно с дополнительными окнами и режущие элементы расположены на торце приемного лотка со стороны внешней колонны труб, причем режущие элементы расположены произвольно, но над каждым загрузочным окном закреплен по меньшей мере один режущий элемент.

На фиг.1 схематически изображен расширитель, разрез; на фиг.2 - шнековый буровой снаряд, разрез; на фиг.3 - переводник, разрез; на фиг.4 - то же, разрез А-А на фиг. 3; на фиг.5 - генератор ударных импульсов, вид сбоку с разрезом; на фиг.6 схематически изображен процесс расширения скважины, вид сбоку.

Расширитель горизонтальной скважины состоит из внешней колонны труб 1 и секции шнекового бурового става 2, размещенной внутри цилиндрического приемного лотка 3 с загрузочными окнами 4 и режущими элементами 5 (фиг.1). Секция шнекового бурового става 2 размещена на полом валу 6, который с двух сторон укреплен на подшипниках 7, установленных на опорах 8, а полый вал 6 снабжен внутренним сквозным каналом 9 для промывочной жидкости и шлицами 10. Во внешней колонне труб 1, секции которой соединены между собой ниппелями 11 и замками 12, соосно с ней размещен шнековый буровой снаряд 13 (фиг.2). Приемный лоток 3 с передней части внешней колонны труб 14 соединен с внешней колонной труб 1 переводником (фиг.3), выполненным в виде двух цилиндрообразных соединительных узлов, где узел меньшего диаметра 15 одним концом входит в узел большего диаметра 16, содержащий ограничитель 17 с кольцом 18 для ограничения поступательного осевого движения. Соединительный узел большего диаметра 16 жестко связан, например, с помощью сварки с цилиндрическим приемным лотком 3, а узел меньшего диаметра 15 в осевом направлении подвижно соединен с внешней колонной труб. Ограничитель 17 с торца тоже снабжен режущими элементами 5. Шнековый буровой снаряд 13 снабжен соосным с ним шлицевым валом 19, свободно входящим по шлицам 10 в полый вал 6 секции шнекового бурового става 2. При этом узел меньшего диаметра 15 входит в узел большего диаметра 16 по шлицевым элементам 20, а шлицевой вал 19 выполнен с увеличенной длиной и служит компенсатором. С противоположной стороны приемный лоток 3 снабжен генератором ударных импульсов 21 с соединением между собой по центру с помощью цилиндрообразного и штокообразного узлов 22,23, где штокообразный узел 23 одном концом входит в цилиндрообразный 22 и снабжен совместным с ним отверстием "А" под известный пальчиковый элемент или болт или др. , а другим концом жестко соединен с ударной частью генератора ударных импульсов 21. Цилиндрообразный узел 22 жестко соединен с торцом цилиндрического приемного лотка 3, который связан с задней зависающей частью генератора ударных импульсов 21 упругими растяжками 24 с крепежными приспособлениями, расположенными в радиальном положении относительно оси цилиндрического приемного лотка 3. Крепежные приспособления включают в себя крюкообразные накладки 27, которые устанавливают и крепят на задней зависающей части генератора ударных импульсов 21 со стороны вертлюга 25 и напорного шланга 26 (или кабеля), металлические талрепы 28, анкерные скобы 29 с болтами 30. Все крепежные металлические приспособления, а также узлы переводника из элементов меньшего и большего диаметров 15 и 16, цилиндрообразного и штокообразного узлов 22 и 23 выполняются с 3-4-кратным запасом прочности и оцинкованным покрытием. Приемный лоток 3 выполнен с постоянным диаметром по всей длине и с торцами в форме усеченного конуса, а загрузочные окна 4 и режущие элементы 5 расположены на торце приемного лотка 3 со стороны внешней колонны труб 1. Режущие элементы 5 выполнены, например, в виде твердосплавных резцов, расположены произвольно, но над каждым загрузочным окном 4 закреплен по меньшей мере один режущий элемент 5.

Расширитель горизонтальных скважин работает следующим образом (фиг.1-6). Расширитель устанавливают, соединяя его с внешней колонной труб 1 и со шнековым снарядом 13 в приемном котловане 31 (или в подземной выработке) после сооружения известным способом пилот-скважины 32. Для этого узел меньшего диаметра 15 (фиг. 1,2) по резьбе соединяют с замком 12 и с внешней колонной труб 1, а шлицевой вал 19 по шлицам 10 вводят во внутренний канал 9 полого вала 6 секции шнекового бурового става 2. Процесс соединения по резьбе осуществляют механическим способом с помощью первого вращателя 33 (фиг.6) буровой установки 34, а шлицевой вал 19 с секцией шнекового бурового става 2 - с помощью второго вращателя 35 буровой установки 34. Таким образом достигается раздельная кинематическая связь приемного лотка 3 с загрузочными окнами 4 и режущими элементами 5 с узлами 15 и 16 переводника и генератора ударных импульсов 21 с внешней колонной труб 1 и с первым вращателем 33 буровой установки 34, а секции шнекового бурового става 22 с полым валом 6 и шлицевым валом 19 - со вторым вращателем 35 буровой установки 34. Затем производят присоединение генератора ударных импульсов 21, который вводится в цилиндрообразный узел 22 штокообразным узлом 23 и через отверстие "А" крепится известным, например, пальчиковым быстросъемным соединением или болтом (не показан). На генератор ударных импульсов 21 с задней зависающей части его (фиг.5) устанавливают и укрепляют крюкообразные накладки 27, которые соединяют с упругими растяжками 24 с металлическими талрепами 28 и анкерными скобами 29. С помощью болтов 30 фиксируют все вышеуказанные крепежные приспособления на противоположной стороне приемного лотка 3 в радиальном положении относительно его оси. С помощью вращателя металлических талрепов 28 поочередно производят натяжение упругих растяжек 24 и регулируют соосное положение генератора ударных импульсов 21 относительно оси приемного лотка 3. После этого на генератор ударных импульсов устанавливают известный вертлюг 25 и напорный шланг 26, которые соединяют с компрессором 36 или дизельной электростанцией ДЭС.

На холостом ходу производят контрольное опробывание без подачи сжатого воздуха или электроэнергии и промывочной жидкости, производят краткосрочную передачу вращения и подачу поочередно внешней колонне труб 1 с приемным лотком 3, затем шнековому снаряду 13 с секцией шнекового бурового става 2. При вращении первого вращателя 33 буровой установки 34 вращение передается внешней колонне труб 1, от нее узлу меньшего диаметра 15, затем по шлицевым элементам 20 - узлу большего диаметра 16 переводника приемному лотку 3 и генератору ударных импульсов 21 (фиг.1,2,3,5). В момент осевой подачи рабочих нагрузок (Р_o) от вращателя усилие передается по аналогичной схеме через ограничитель 17 с ходом поступательного движения и кольца 18. В случае обратной подачи (Р_o) передается упором узла меньшего диаметра 15 в торец на узле большего диаметра 16 (крайнее левое положение - фиг.3). При вращении второго вращателя 35 буровой установки 34 вращение передается шнековому снаряду 13 и через шлицевой вал 19 по шлицевым элементам полому валу 6 и секции шнекового бурового става 2. В период различной подачи (Р_o) вращателей в разные стороны шлицевой вал 19 сохраняет возможность одновременной передачи вращательных и осевых нагрузок в крайнем положении, а также подачи промывочной жидкости во внутреннюю часть приемного лотка 3 и к секции шнекового бурового става 2. В процессе расширения скважины режущие элементы 5 под воздействием вращающих и ударных нагрузок разрушают горную породу, которая потом попадает в загрузочные окна 4 и внутреннюю полость приемного лотка 3. Затем под воздействием усилий от секции шнекового бурового става 2 и промывочной жидкости, подаваемой через шнековый снаряд 13 и шлицевой вал 19, разрушенная порода подается в кольцевое пространство между внешней колонной труб 1 и шнековым снарядом 13 и далее к устью скважины. Под воздействием генератора ударных импульсов 21 приемный лоток 3 с укрепленными на нем секцией шнекового бурового става 2, режущими элементами 5, полым валом 6, подшипниками 7 и др., а также цилиндрический узел большего диаметра 16 получают ударные импульсы с одновременным вращением, что активизирует процесс разрушения, а также перемещение породы в зоне приемного лотка 3. При этом ударные нагрузки гасятся за счет перемещения по щлицевым элементам 20 узла меньшего диаметра 15 в узле большего диаметра 16, а щлицевого вала 19 - в полом валу 6 и не передаются на внешнюю колонну труб 1 и шнековый снаряд 13. Вращающие и осевые усилия внешней колонне труб 1 и шнековому снаряду 13, приемному лотку 3 и генератору ударных импульсов 21 передаются с различной частотой вращения. При осевом перемещении внешняя колонна труб 1 от вращателя 33 выводит узел меньшего диаметра 15 до упора в ограничитель 17 и регулируется соответственно выход шлицевого вала 19 с помощью второго вращателя 35 буровой установки 34. Реактивные усилия от действия генератора ударных импульсов 21 будут частично гаситься упругими растяжками 24, массой приемного лотка 3 и боковыми сопротивлениями его корпуса в скважине и не будут передаваться на внешнюю колонну труб 1 и шнековый снаряд 13.

После завершения процесса расширения скважины предложенное устройство без какой-либо переделки может быть применено и для посадки в проделанную скважину футляра-кожуха (не показан) из труб для защиты прокладываемых коммуникаций. Для этого расширитель перемещается обратно в исходное положение(фиг. 6), а к приемному лотку 3 с помощью тех же анкерных скоб 29 прикрепляется первая секция футляра-кожуха (не показана) с телескопическим внутренним размещением генератора ударных импульсов 21. Это особенно важно в рыхлых, неустойчивых и плывунных отложениях, которые склонны к обвалам стенок скважины. Установка футляра-кожуха может производиться одновременно с чисткой расширенной скважины без вращения внешней колонны 1 приемного лотка 3 при работе шнекового снаряда 13 или при работе только генератора ударных импульсов 21. При соответствующем усиленном вооружении режущими элементами 5 могут быть разрушены включения более крепких пород, а также фрагменты асфальтобетона или железобетона. Значительно повышается надежность расширения и могут быть сооружены скважины увеличенного диаметра (до 2м) на большую протяженность.

Более высокая эффективность ударно-вращательного процесса расширения обеспечивается за счет увеличения количества подводимой к забою дополнительной динамической ударной энергии, генерируемой забойным механизмом в виде ударных импульсов различной силы и частоты, а также за счет интенсификации процесса разрушения породы, происходящей вследствие снижения удельной энергоемкости разрушения грунтов и препятствий. В случае осложнений в скважинах, связанных с обвалом стенок в зонах неустойчивых пород прихватами внешней колонны 1, приемного лотка 3 и т.п., могут быть приняты меры по предотвращению или ликвидации осложнений путем расходки снаряда с реверсивным его ходом. Для этого могут передаваться статические и динамические нагрузки от буровой установки 34 и генератора ударных импульсов 21 в разных направлениях по оси скважины с соответствующей перенастройкой генератора на обратный ход. При необходимости следует избегать передачи прямых динамических нагрузок от генератора ударных импульсов 21 на внешнюю колонну труб 1 и шнековый снаряд 13 при включенных вращателях буровой установки, что легко достигается путем регулировки осевых зазоров между ограничителем 17 и узлом меньшего диаметра 15 и перемещением шлицевого вала 19 от приемного лотка 3. Передача прямых ударных импульсов исключительно только на основной рабочий орган - приемный лоток позволяет значительно увеличить эффективность работы и обеспечить возможность увеличения диаметра и длины горизонтальных скважин при использовании относительно легких буровых установок.

Рассмотрим применение предложенного расширителя на примере сооружения горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций с прокладкой футляров из труб большого диаметра (Д_н=426 мм) под трассами железных дорог и автомагистралями.

Для его реализации могут быть использованы имеющиеся буровые установки 34 типа УПВ-130, УПБ-130М конструкции ВИОГЕМ, а также серийные буровые и другие насосы типа ГНОМ НБ 120/40, НБ-4, компрессоры передвижные типа ЗИФ-ВКС-10, XAS 125Dd. Наружную колонну труб 1 составляют из труб диаметром 168 мм, шнековый снаряд 13 - из труб диаметром 89 мм со шнеками диаметром 140 мм. Приемный лоток 3 выполняют из труб диаметром 450 мм. В качестве генератора ударных импульсов 21 могут быть применены различные механизмы и машины вибрационного действия, включая вибромолоты, вибраторы, гидро- и пневмоударные погружные механизмы, пневмопробойные машины и т.п., например, типа ИП 4603, диаметром 130 мм, длиной 1500 мм и весом 80 кг или PC-130 mjnj диаметром 125/142 мм, длиной 946 мм и весом 60 кг. Цилиндрический узел большего диаметра 16 может быть выполнен из высоколегированной стали типа ХН-40 диаметром 200(δ = 20 мм), а цилиндрический узел меньшего диаметра 15-175 мм (δ = 15 мм). Режущие элементы подбираются в зависимости от буримых пород и могут быть выполнены из высокопрочных материалов, например из стали 35 ХГС А с термообработкой до HRC=50-55, обработанные сплавом релита, сормайта, кубонита или зачеканенные пластинами твердого сплава "ПОБЕДИТ". Для закрепления генератора ударных импульсов 21 применяются упругие растяжки 24 из высокопрочных резиновых ремней, стальные серийно выпускаемые анкерные скобы 29, болты 30 и талрепы 28 с закрытым корпусом (вилка или ушко с обоих концов). Указанные крепежные приспособления, а также узел меньшего диаметра 15, узел большего диаметра 16, ограничитель 17, цилиндрообразный узел 22, штокообразный узел 23 выполняют с одинаковым покрытием.

Таким образом предложенная конструкция позволяет расширить функциональные возможности расширителя. По сравнению с известными расширителями горизонтальных скважин предложенное устройство имеет ряд преимуществ, к числу которых можно отнести:
- увеличение механической скорости процесса расширения скважины;
- достижение возможности надежного перемещения труб футляров при прокладке бестраншейных подземных коммуникаций, в том числе в неустойчивых, песчаных и плывунных грунтах;
- обеспечение возможности увеличения диаметра и протяженности скважин и перемещаемых трубчатых футляров;
- обеспечение возможности разрушения прослойков крепких пород валунов, фрагментов асфальтобетона, а также железобетона и т.п.

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для расширения горизонтальных скважин, а также слабонаклонных при прокладке подземных бестраншейных коммуникаций. Расширитель состоит из внешней колонны труб, секции шнекового бурового става, размещенной внутри цилиндрического приемного лотка с загрузочными окнами и режущими элементами, расположенными на торце приемного лотка со стороны внешней колонны труб, шнекового бурового снаряда, снабженного соосным с ним шлицевым валом, приемный лоток соединен с внешней колонной труб переводником, выполненным в виде двух цилиндрообразных соединительных узлов. С противоположной стороны приемный лоток снабжен генератором ударных импульсов с соединением между собой по центру с помощью цилиндрообразного и штокообразного узлов. Цилиндрообразный узел жестко соединен с торцом цилиндрического приемного лотка, который кроме этого связан с задней зависающей частью генератора ударных импульсов упругими растяжками. Режущие элементы расположены на торце лотка произвольно, но над каждым загрузочным окном закреплен по меньшей мере один режущий элемент. Изобретение обеспечивает повышение скорости процесса расширения, надежности перемещения труб, увеличения диаметра и глубины. 6 ил.

Расширитель горизонтальных скважин, включающий внешнюю колонну труб, шнековый буровой снаряд и секцию шнекового бурового става, размещенную внутри цилиндрического приемного лотка с загрузочным окном и режущими элементами, отличающийся тем, что шнековый буровой снаряд снабжен соосным с ним шлицевым валом, входящим по шлицам в полый вал шнекового бурового става, приемный лоток соединен с внешней колонной труб переводником, выполненным в виде двух цилиндрообразных соединительных узлов, где узел меньшего диаметра по шлицевым элементам одним концом входит в узел большого диаметра, содержащий ограничитель для ограничения поступательного осевого движения, при этом соединительный узел большего диаметра жестко связан с цилиндрическим приемным лотком, а узел меньшего диаметра в осевом направлении подвижно соединен с внешней колонной труб, а с противоположной стороны приемный лоток снабжен генератором ударных импульсов с соединением между собой по центру с помощью цилиндрообразного и штокообразного узлов, где штокообразный узел одним концом входит в цилиндрообразный и снабжен совместным с ним отверстием, а другим концом жестко соединен с ударной частью генератора ударных импульсов, при этом цилиндрообразный узел жестко соединен с торцом цилиндрического приемного лотка, который кроме этого связан с задней зависающей частью генератора ударных импульсов упругими растяжками с крепежными приспособлениями, расположенными в радиальном положении относительно оси цилиндрического приемного лотка, при этом последний выполнен с постоянным диаметром по всей длине и с торцами в форме усеченного конуса, а загрузочное окно с дополнительными окнами и режущие элементы расположены на торце приемного лотка со стороны внешней колонны труб, причем режущие элементы расположены произвольно, но над каждым загрузочным окном закреплен по меньшей мере один режущий элемент.