БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БУРЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК E21B3/00 E21B7/02 E21B15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к буровому устройству в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения и способу бурения для сооружения скважины с обсадной трубой в соответствии с ограничительной частью пункта 7 формулы изобретения.

Уровень техники

Современный уровень техники отражен в патентном документе ФРГ №2734185, МПК Е 02 D 17/14, опубл. 08.02.1979 г. В установленную в грунте обсадную трубу с помощью несущего кабеля вводят внутреннее буровое устройство. В цилиндрическом корпусе бурового устройства находится привод вращения. С помощью зажимного устройства на корпусе буровое устройство жестко зажимается внутри обсадной трубы вблизи основания скважины, так что крутящий момент привода вращения передается на обсадную трубу. Там же описан и способ бурения для разработки буровой скважины с обсадной трубой, установленной в грунте, при котором буровой инструмент, связанный с нижним концом штанги, удерживают в обсадной трубе с помощью кранового каната и обсадную трубу жестко соединяют с приводом вращения штанги с помощью соединительного устройства. Эти способ и устройство выбраны в качестве прототипа.

Другой способ сооружения скважины с обсадной трубой известен из патентного документа Франции №1509586 А. На штанге укреплен буровой шнек с буровым ковшом, имеющий диаметр меньше окружающей его обсадной трубы. При проходке скважины буровой шнек транспортирует разработанный материал в буровой ковш. Когда ковш заполнен, его вместе с буровым шнеком поднимают из скважины. Буровой ковш может быть с помощью зажимного устройства жестко укреплен на салазках, которые перемещаются в направляющих на буровой мачте, при этом буровой ковш может быть отсоединен от буровой штанги с помощью механизма запирания и отпирания. На направляемых вдоль буровой мачты салазках расположен также привод вращения для привода бурового шнека с передачей вращения через штангу.

В справочнике автора Bieske по строительству колодцев, том 1, с.88, 89, Берлин, 1956, описан способ разработки буровой скважины без обсадной трубы с использованием текучей среды.

При сооружении опорных свай для строительства сооружений известен также способ первоначальной забивки в грунт обсадной трубы, например, с помощью свайного копра или вибрационного молота. Грунт внутри обсадной трубы может удаляться с помощью бурового устройства. Это целесообразно производить прежде всего в рыхлых или слабых грунтах, так как обсадная труба предотвращает обрушение стенок скважины.

Для удаления грунта внутри обсадной трубы обычно используется буровой шнек, внутренний диаметр которого подбирается в соответствии с внутренним диаметром обсадной трубы. При использовании бурового шнека необходимо применение специального бурового устройства с вертикальной мачтой, на которой предусмотрены средства для вертикального направляемого перемещения бурового шнека с одновременным приводом вращения. Поскольку вертикальная мачта обычно бывает установлена на шасси, и ее наклон допускается не больше, чем на несколько градусов, использование бурового шнека на неровной местности или на местности с большими перепадами уровня весьма проблематично. В некоторых случаях для бурового устройства с буровым шнеком приходится вначале устанавливать горизонтальную платформу на обсадной трубе.

Кроме того, буровое устройство с буровым шнеком либо вовсе не может использоваться для предварительной установки обсадной трубы в грунте, либо для этого требуется значительная модификация устройства.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа бурения и бурового устройства, обеспечивающих эффективное создание буровой скважины с обсадной трубой.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается благодаря буровому устройству с признаками по п.1 формулы изобретения и способу бурения с признаками по п.7 формулы изобретения. Предпочтительные примеры осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Буровое устройство для разработки буровой скважины с установленной в грунте обсадной трубой содержит буровой инструмент, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги, крановую подвеску, предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате, привод для приведения во вращение штанги и соединительное устройство для осуществления жесткого соединения между обсадной трубой и приводом. Согласно изобретению штанга выполнена полой и снабжена первым и вторым трубопроводами для текучей среды, в области верхнего конца штанги предусмотрены первое подсоединение для подвода текучей среды в первый трубопровод для текучей среды и второе подсоединение, предназначенное для отвода буровой мелочи через второй трубопровод для текучей среды. При этом имеется съемная рама, в которой штанга установлена с возможностью вращения и осевого перемещения и которая предназначена для установки на обсадной трубе, привод расположен на съемной раме, а посредством соединительного устройства обеспечивается жесткое соединение между обсадной трубой и съемной рамой, на которой размещен привод.

Буровое устройство по изобретению может использоваться с подвеской на подъемном кране, так что большие неровности поверхности или большие перепады уровня между обсадной трубой и буровым устройством не оказывают никакого влияния на выполнение способа бурения. При этом подвешенное на крановом канате буровое устройство автоматически устанавливается в вертикальное положение, так что для вертикального бурения не требуется никаких юстировочных операций, связанных с высокими затратами.

Для эффективного бурения штанга бурового устройства выполнена полой и оснащена по меньшей мере двумя трубопроводами для текучей среды. Один трубопровод для текучей среды может использоваться для транспортирования буровой мелочи от бурового устройства. Другой трубопровод может использоваться для подвода текучей среды. В качестве текучей среды может служить вода или воздух для создания несущего потока для отвода буровой мелочи. Однако трубопровод для текучей среды может также использоваться для подвода затвердевающей суспензии, так что в процессе удаления бурового устройства из скважины может производиться ее заполнение затвердевающей суспензией, в особенности такой как бетон. Для того, чтобы, несмотря на крановую подвеску, обеспечить надежную передачу на буровое устройство крутящего момента, в соответствии с изобретением буровое устройство вместе со съемной рамой устанавливают на верхнем краю обсадной трубы и разъемно закрепляют на нем с помощью соединительного устройства. Соединительное устройство позволяет быстро размыкать жесткое соединение, что в сочетании с постоянной подвеской бурового устройства к крану позволяет обеспечить эффективную разработку большого числа скважин.

В качестве соединительного устройства могут использоваться различные виды соединительных устройств, работающих с образованием геометрического или силового замыкания. Согласно изобретению соединительное устройство предпочтительно содержит гидравлические цанговые зажимы, с помощью которых съемная рама жестко зажимается на верхнем краю обсадной трубы. Цанговые зажимы с гидравлическими силовыми элементами привода обеспечивают быстрый зажим и отсоединение с созданием высоких зажимных усилий.

В другом предпочтительном примере выполнения изобретения первое или второе подсоединение содержат шарниры вращения. За счет этого вращающиеся вместе со штангой трубопроводы для текучей среды могут надежно соединяться со стационарными устройствами, в особенности с контейнерами для текучей среды, которые находятся за пределами буровой скважины.

В качестве буровых устройств могут использоваться различные устройства, например буровые ковши. В соответствии с изобретением оптимально выполнение бурового устройства в виде буровой головки сплошной разработки забоя с буровой колонной, при этом буровая колонна выполнена полой и снабжена двумя трубопроводами, которые могут быть соединены с первым трубопроводом для текучей среды и вторым трубопроводом для текучей среды, находящимися в штанге. Такая буровая головка сплошной разработки забоя особенно подходит для разработки твердых нижних слоев грунта, например скальных пород. В сочетании с отводом буровой мелочи через трубопровод для текучей среды за счет этого может производиться разработка более глубоких буровых скважин. Однако на буровом устройстве по изобретению могут быть установлены различные буровые инструменты, так что для каждого подлежащего разработке слоя грунта может быть установлен соответствующий буровой инструмент.

Далее, в соответствии с изобретением буровое устройство может быть подвешено на стреле крана, причем на обращенной к стреле стороне бурового устройства укреплен первый тяговый трос, проходящий к стреле, а на другой стороне устройства шарнирно укреплен второй тяговый трос, проходящий к верхнему концу стрелы. При этом на навешенное на крановую стрелу буровое устройство могут воздействовать два тяговых троса, связанных с лебедками. За счет этого может подавляться нежелательное раскачивание бурового устройства и, кроме того, буровое устройство может быть легко подтянуто к крановой стреле и удерживаться в этом отведенном положении. В таком отведенном положении кран может использоваться, например, для позиционирования и установки обсадной трубы с помощью второй тросовой лебедки без необходимости снятия бурового устройства с крана.

В полой штанге расположены по меньшей мере два трубопровода для текучей среды. Штанга по изобретению может быть выполнена с двойной стенкой, при этом кольцевое полое пространство между внутренним сердечником и наружной стенкой штанги может образовывать трубопровод для текучей среды. Другой трубопровод для текучей среды может быть расположен на наружной стороне или во внутреннем полом пространстве штанги.

Задача изобретения решена также в способе бурения для разработки буровой скважины с обсадной трубой, установленной в грунте, при котором предусмотрено, что буровой инструмент, связанный с нижним концом штанги, удерживают в обсадной трубе с помощью кранового каната, и с помощью соединительного устройства обсадную трубу жестко соединяют с приводом вращения штанги. Согласно изобретению на обсадной трубе устанавливают съемную раму, в которой штангу удерживают с возможностью вращения и осевого перемещения и которая оснащена приводом. Посредством соединительного устройства обсадную трубу жестко соединяют со съемной рамой. Через первый трубопровод для текучей среды в полой штанге подают текучую среду, и через второй трубопровод для текучей среды в полой штанге отводят буровую мелочь. За счет этого обеспечивается эффективная разработка буровой скважины с получением указанных выше преимуществ.

Предпочтительный пример осуществления изобретения заключается в том, что первую буровую скважину выполняют внутри обсадной трубы, причем буровую головку с буровой колонной вводят в обсадную трубу отдельно от бурового устройства, а затем буровое устройство с помощью штанги жестко соединяют с буровой колонной.

Первая буровая скважина может разрабатываться другим буровым инструментом, - например, буровым ковшом или буровым шнеком. При этом буровой инструмент может устанавливаться на буровом устройстве по изобретению и вместе с ним вводиться для разработки первой буровой скважины, например, в слабый нижний грунтовый слой. В результате разработки первой скважины в обсадной трубе создается свободное пространство, которое может использоваться для ввода и юстировки буровой головки с буровой колонной. За счет использования различных буровых инструментов обеспечивается эффективная проходка, причем применение буровой головки сплошной разработки забоя целесообразно для разработки твердого нижнего слоя.

Далее, способ по изобретению предусматривает, что буровую головку с буровой колонной перед креплением к штанге удерживают в обсадной трубе с помощью удерживающего устройства в положении соединения, после крепления удерживающее устройство отсоединяют, в то время как буровое устройство остается навешенным на канат, и в заключение съемную раму жестко соединяют с обсадной трубой. Это обеспечивает надежное и в то же время быстрое соединение буровой колонны буровой головки с штангой бурового устройства.

Особенно эффективная фиксация буровой колонны внутри обсадной трубы для ее соединения с штангой достигается за счет того, что удерживающее устройство снабжают по меньшей мере одними салазками, которые имеют возможность радиального смещения к обсадной трубе и содержат удерживающую вилку, на которую опирается фланец буровой колонны в положении удержания. В частном случае выполнения две, три или четыре удерживающих вилки расположены равномерно по окружности верхнего края обсадной трубы и расположены на платформе. Ширина вилки удерживающего устройства соответствует наружному диаметру буровой колонны, а фланец увеличенного диаметра или более широкая закраина буровой колонны опирается сверху на вилку или вилки, обеспечивая желаемое положение удержания.

Согласно изобретению способом предусмотрено, что буровую скважину разрабатывают буровым устройством через обсадную трубу и далее в нижележащем грунтовом слое. Как правило, обсадная труба может быть забита только в относительно слабый грунт. Однако в тех случаях, когда требуется сооружение опорной сваи до глубины больше толщины слоя слабого грунта, вначале может производиться удаление слабого грунта внутри обсадной трубы с помощью первого бурового инструмента, например бурового ковша. Затем на том же буровом устройстве может быть укреплен второй буровой инструмент, например буровая головка сплошной разработки забоя, и использоваться для эффективной разработки лежащего ниже обсадной трубы более твердого или скального грунта.

В общем случае давление на буровой инструмент может передаваться через телескопическую штангу посредством соответствующего гидравлического силового цилиндра. Однако эффективным и экономичным решением предусмотрено, что при бурении штангу направляют в съемной раме со свободой осевого перемещения, так что вес штанги передается давлением на буровое устройство. При этом буровая колонна может быть дополнительно снабжена балластными грузами для создания достаточного давления для непрерывного процесса проходки скважины.

Далее, в предпочтительном примере осуществления способа бурения предусмотрено, что в процессе бурения через первый трубопровод для текучей среды в полой штанге подают продувочный воздух, а через второй трубопровод для текучей среды отводят буровую мелочь с жидкостью и продувочным воздухом. При таком способе достигается особенно эффективное удаление буровой мелочи с обеспечением непрерывного процесса разработки буровой скважины.

Перечень фигур чертежей

Примеры осуществления настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает ввод бурового инструмента в обсадную трубу,

фиг.2 изображает установку бурового узла на буровом инструменте,

фиг.3 изображает буровое устройство по изобретению в процессе бурения,

фиг.4 схематично изображает буровое устройство по изобретению в другом примере выполнения, подвешенное к подъемному крану.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показан плавучий понтон 2 с установленным на нем подъемным краном 4 со стрелой 6. Для сооружения опорных свай в слабый грунтовый слой 3 уже забиты две обсадные трубы 46. В первую обсадную трубу 46, которая выступает над уровнем воды, краном 4 с помощью каната 5 вводят буровой инструмент. Буровой инструмент, который состоит из буровой головки 18 сплошной разработки забоя и трубчатой буровой колонны 19, опускают канатом 5 на определенную глубину до высоты расположения на буровой колонне фланца 21 увеличенного диаметра.

В этом положении буровой инструмент фиксируют с помощью удерживающего устройства 42. Удерживающее устройство содержит двое салазок 44, установленных на кольцевой платформе 43, которую разъемно устанавливают на верхнем конце обсадной трубы 46. Для фиксации бурового инструмента салазки смещают радиально к буровой колонне 19. При этом не показанные подробно на чертеже удерживающие вилки заходят под фланец 21 увеличенного диаметра, так что этот фланец в зафиксированном положении опирается на вилки сверху.

После этого канат 5 отцепляют от бурового инструмента, и кран 4 может использоваться для подъема и перемещения бурового узла 10, находящегося на понтоне 2. Как показано на фиг.2, с помощью крана 4 буровой узел центрируют относительно бурового инструмента, который находится в зафиксированном положении в обсадной трубе 46. Далее буровой узел 10, который подвешен к крановой грузоподъемной подвеске 14 на канате 5, опускают на верхний конец буровой колонны 19 и их жестко соединяют между собой. При необходимости между буровым узлом 10 и буровой колонной 19 могут быть включены дополнительные элементы буровой колонны для достижения желаемой глубины бурения.

При жестком соединении штанги 12 бурового устройства с буровой колонной 19 трубопроводы 26, 28 для текучей среды, которые лишь схематично представлены на чертеже, соединяют с соответствующими трубопроводами внутри буровой колонны 19.

По окончании соединения салазки 44 удерживающего устройства 42 отодвигают радиально от буровой колонны 19, так что буровое устройство 10 можно снова опускать канатом 5 до тех пор, пока съемная рама 20 бурового устройства 10 не опустится на верхний край обсадной трубы 46. При этом цанговые зажимы 24 соединительного устройства 22 захватывают край обсадной трубы 46 и жестко зажимают съемную раму 20 на обсадной трубе 46.

Далее буровую головку 18 опускают до уровня поверхности слабого грунтового слоя 3 путем опускания штанги 12 бурового узла 10 с помощью каната 5.

Буровую головку 18 вместе с буровой колонной 19 приводят во вращение посредством гидравлического привода 16, размещенного на съемной раме 20. При этом буровая головка 18, как показано на фиг.3, разрабатывает и удаляет грунт 3 внутри обсадной трубы 46 и при дальнейшем опускании производит бурение скважины 40 в скальном грунтовом слое 7.

При разработке скважины воздух под давлением подается по стрелке Р1 в первое подсоединение 27 первого трубопровода для текучей среды, а воздушный поток с буровой мелочью направляется от буровой головки во второй трубопровод для текучей среды 28. Буровая мелочь отводится на верхнем конце бурового узла 10 через второе подсоединение 29 по стрелке Р2. При сооружении буровых скважин они могут заполняться бетоном, а также при необходимости стальной арматурой для сооружения опорных свай. После окончания рабочего процесса буровое устройство может быть легко перемещено краном 4 к следующей обсадной трубе 46 без необходимости изменения положения и настройки понтона 2.

В другом примере выполнения изобретения по фиг.4 буровой узел 10 оснащен буровым ковшом 11 в качестве бурового инструмента и подвешен на канате 5 к стреле 6 крана 4 описанным выше образом. Для устранения нежелательного раскачивания бурового узла 10 и в то же время обеспечения возможности поперечного смещения бурового узла 10 на стреле 6 между буровым узлом 10 и стрелой 6 предусмотрен первый тяговый трос 31. Для устранения поперечных колебаний он может быть натянут с помощью не представленной здесь лебедки. Кроме того, с другой стороны бурового узла 10 к нему прикреплен второй тяговый трос 32, идущий от вершины стрелы 6. На вершине предусмотрен направляющий блок, который вынесен на определенное расстояние от стрелы 6 над подъемным канатом 5. Посредством соответствующего натяжения второго тягового троса 32 и первого тягового троса 31 может подавляться нежелательное раскачивание бурового узла 10.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к буровому устройству и способу бурения для разработки буровой скважины с обсадной трубой, установленной в грунте перед разработкой грунта. Буровое устройство для разработки буровой скважины с установленной в грунте обсадной трубой содержит буровой инструмент, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги, крановую подвеску, предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате, привод для приведения во вращение штанги и соединительное устройство для осуществления жесткого соединения между обсадной трубой и приводом. Штанга выполнена полой и снабжена первым трубопроводом для текучей среды и вторым трубопроводом для текучей среды, в области верхнего конца штанги предусмотрены первое подсоединение для подвода текучей среды в первый трубопровод для текучей среды и второе подсоединение, предназначенное для отвода буровой мелочи через второй трубопровод для текучей среды. Имеется съемная рама, в которой штанга установлена c возможностью вращения и осевого перемещения и которая предназначена для установки на обсадной трубе. Привод расположен на съемной раме, а посредством соединительного устройства обеспечивается жесткое соединение между обсадной трубой и съемной рамой, на которой размещен привод. В способе бурения для разработки буровой скважины с обсадной трубой, установленной в грунте, буровой инструмент, связанный с нижним концом штанги, удерживают в обсадной трубе с помощью кранового каната, и с помощью соединительного устройства обсадную трубу жестко соединяют с приводом вращения штанги. На обсадной трубе устанавливают съемную раму, в которой штангу удерживают с возможностью вращения и осевого перемещения и которая оснащена приводом. Посредством соединительного устройства обсадную трубу жестко соединяют со съемной рамой, через первый трубопровод для текучей среды в полой штанге подают текучую среду, и через второй трубопровод для текучей среды в полой штанге отводят буровую мелочь. Повышается эффективность бурения, а также производительность способа бурения и бурового устройства при разработке буровой скважины с установленной в грунте обсадной трубой. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Буровое устройство для разработки буровой скважины (40) с установленной в грунте обсадной трубой (46), содержащее буровой инструмент, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги (12), крановую подвеску (14), предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой (12) на крановом канате (5), привод (16) для приведения во вращение штанги (12) и соединительное устройство (22) для осуществления жесткого соединения между обсадной трубой (46) и приводом (16), отличающееся тем, что штанга (12) выполнена полой и снабжена первым трубопроводом (26) для текучей среды и вторым трубопроводом (28) для текучей среды, в области верхнего конца штанги (12) предусмотрены первое подсоединение (27) для подвода текучей среды в первый трубопровод (26) для текучей среды и второе подсоединение (29), предназначенное для отвода буровой мелочи через второй трубопровод (28) для текучей среды, имеется съемная рама (20), в которой штанга (12) установлена c возможностью вращения и осевого перемещения и которая предназначена для установки на обсадной трубе (46), при этом привод (16) расположен на съемной раме (20), а посредством соединительного устройства (22) обеспечивается жесткое соединение между обсадной трубой (46) и съемной рамой (20), на которой размещен привод (16).2. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительное устройство (22) снабжено гидравлическими цанговыми зажимами (24), с помощью которых съемная рама (20) жестко зажимается на верхнем краю обсадной трубы (46).3. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что первое подсоединение (27) и/или второе подсоединение (29) снабжены шарнирами вращения.4. Буровое устройство по п.3, отличающееся тем, что буровой инструмент выполнен в виде буровой головки (18) сплошной разработки забоя с буровой колонной (19), а буровая колонна (19) выполнена полой и снабжена двумя трубопроводами, которые могут быть соединены с первым трубопроводом (26) для текучей среды и вторым трубопроводом (28) для текучей среды в штанге (12).5. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что оно с помощью каната (5) подвешено на стреле (6) крана (4), причем на обращенной к стреле (6) стороне бурового устройства укреплен первый тяговый трос (31), проходящий к стреле (6), а на другой стороне устройства шарнирно укреплен второй тяговый трос (32), проходящий к верхнему концу стрелы (6).6. Буровое устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что штанга (12) выполнена с двойной стенкой.7. Способ бурения для разработки буровой скважины (40) с обсадной трубой (46), установленной в грунте, содержащий операции: буровой инструмент, связанный с нижним концом штанги (12), удерживают в обсадной трубе (46) с помощью кранового каната (5) и с помощью соединительного устройства (22) обсадную трубу (46) жестко соединяют с приводом (16) вращения штанги (12), отличающийся тем, что на обсадной трубе (46) устанавливают съемную раму (20), в которой штангу (12) удерживают с возможностью вращения и осевого перемещения и которая оснащена приводом (16), посредством соединительного устройства (22) обсадную трубу (46) жестко соединяют со съемной рамой (20), через первый трубопровод (26) для текучей среды в полой штанге (12) подают текучую среду и через второй трубопровод (28) для текучей среды в полой штанге (12) отводят буровую мелочь.8. Способ бурения по п.7, отличающийся тем, что первую буровую скважину выполняют внутри обсадной трубы (46), причем буровую головку (18) с буровой колонной (19) вводят в обсадную трубу (46) отдельно от бурового узла (10), а затем штангу 12 бурового узла (10) жестко соединяют с буровой колонной (19).9. Способ бурения по п.8, отличающийся тем, что буровую головку (18) с буровой колонной (19) перед креплением к штанге (12) удерживают в обсадной трубе (46) с помощью удерживающего устройства (42) в положении соединения, после крепления удерживающее устройство (42) отсоединяют, в то время как буровой узел (10) остается навешенным на канат, и в заключение съемную раму (20) жестко соединяют с обсадной трубой (46).10. Способ бурения по п.9, отличающийся тем, что удерживающее устройство (42) снабжают по меньшей мере одними салазками, которые имеют возможность радиального смещения к обсадной трубе (46) и содержат удерживающую вилку, на которую опирается фланец буровой колонны (19) в положении удержания.11. Способ бурения по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что буровую скважину (40) разрабатывают буровым устройством внутри обсадной трубы (46) и далее в нижележащем грунтовом слое.12. Способ бурения по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что при бурении штангу (12) направляют в съемной раме (20) со свободой осевого перемещения, так что вес штанги (12) передается давлением на буровое устройство.13. Способ бурения по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что в процессе бурения через первый трубопровод (26) для текучей среды в полой штанге (12) подают продувочный воздух, а через второй трубопровод (28) для текучей среды отводят буровую мелочь с жидкостью и продувочным воздухом.