Способ сооружения скважин большого диаметра Российский патент 2019 года по МПК E21C27/22 E21D3/00 E21C25/16 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для расширения пилот-скважин при разработке и добыче полезных ископаемых.

Известен способ разработки руд методом выбуривания с помощью добычного комбайна (Михайлов Ю.В. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Изд. Центр «Академия», 2008, с. 225-229). Комбайн устанавливают в буровой выработке и с помощью буровой колонны и известных породоразрушающих рабочих инструментов, например, шарошечных долот, осуществляют бурение пилот-скважины по рудному телу. Устье пилот-скважины расположено в буровой выработке, а выход её – в другой выработке, например, в транспортно-сортировочной. После окончания бурения пилот-скважины в транспортно-сортировочной выработке демонтируют рабочий инструмент, которым бурили пилот-скважину, а вместо него на буровую колонну прикрепляют расширитель, который доставляют к разбуриваемой скважине с помощью монтажной тележки. Породоразрушающий рабочий инструмент расширителя закрепляют в расширителе со стороны устья пилот-скважины. Буровой шлам, образующийся при разбуривании пилот-скважины, самотеком перемещается к выходу из разбуриваемой скважины в сторону транспортно-сортировочной выработки и в этой выработке его улавливают и обрабатывают оборудованием, входящим в состав добычной установки, для дальнейшей выдачи его на дневную поверхность.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: бурение пилот-скважины с помощью буровой колонны, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим рабочим инструментом, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки.

Недостатком этого способа является высокая энергоемкость процесса породоразрушения из-за использования шарошечного бурения и значительных габаритов и массы оборудования (соответственно, и стоимость), реализующего способ, что существенно снижает эффективность и надежность способа. Возможность использования добычного комбайна только в подземных условиях ограничивает область применения данного способа.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ расширения скважин, реализованный при работе установки для добычи крепких руд из маломощных пластов методом выбуривания по патенту РФ № 2486339, Е21С 27/22, опубл. 27.06.2013, Бюл. № 18, включающий бурение пилот-скважины буровым станком с буровой колонной, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащённым породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, перемещение бурового шлама при помощи шнека в сторону транспортно-сортировочной выработки, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, перемещение буровой колонны с расширителем посредством лебёдки с тросом.

Общими признаками прототипа и предлагаемого способа являются: бурение пилот-скважин буровым станком с буровой колонной, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, перемещение расширителя посредством лебёдки с тросом.

Недостатком этого способа является высокая энергоемкость процесса породоразрушения из-за использования шарошечного бурения и проведения дополнительных операций при разбуривании пилот-скважины (размещение лебёдки в транспортно-сортировочной выработке, соединение расширителя со шнеком, перемещение приёмной воронки, шламового насоса, трубопровода и сосуда по транспортно-сортировочной выработке, установка и эксплуатация подъемного устройства для лебёдки на необходимой высоте и т.д.) с использованием дополнительного оборудования (гидродомкраты, шнек и т.д.), что существенно снижает эффективность и надёжность способа.

Другим недостатком данного способа является необходимость использования сложного горного оборудования при работе установки (шламопровод, шламонасос и т.д.), что также приводит к снижению надёжности способа. Поскольку при реализации способа буровой станок закрепляют снизу, сбоку и сверху подземной выработки гидродомкратами, это ограничивает область его применения, не позволяя разбуривать пилот-скважины с дневной поверхности. Кроме того, жесткое статическое взаимодействие горной породы и расширителя неизбежно приводит к быстрому износу и поломке последнего, что также снижает надёжность способа. Жёсткое статическое взаимодействие горной породы и расширителя, использующего наиболее энергоёмкое шарошечное бурение, приводящее к большому энергопотреблению, уменьшает скорость разбуривания пилот-скважины, что значительно уменьшает эффективность известного способа.

Перепуск бурового шлама, содержащего влагу, через приёмную воронку, шламонасос и трубопроводы неизбежно приводит к периодическому заклиниванию буровым шламом этой системы, и как следствие, снижает надёжность способа.

Проблемы заключаются в повышении эффективности способа сооружения скважин большого диаметра за счет увеличения скорости разбуривания пилот-скважины при наименее энергоемком воздействии расширителем на породный массив при образовании скважины большого диаметра и за счет расширения области применения способа путём возможности разбуривания пилот-скважины и с дневной поверхности, и с использованием подземных выработок, а также в повышении надежности способа за счет использования простого, менее дорогостоящего и более износостойкого оборудования, чем в прототипе.

Решение проблем достигается в способе сооружения скважин большого диаметра, включающем бурение пилот-скважины с помощью бурового станка с буровой колонной, разбуривание упомянутой пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, при этом перемещение расширителя осуществляют посредством лебёдки с тросом. Согласно техническому решению буровой станок и указанную лебёдку устанавливают на передвижную платформу, зафиксированную над сооружаемой скважиной, а для разбуривания пилот-скважины используют расширитель тангенциально-ударного действия, оборудованный центрирующим устройством, направленным в пилот-скважину, и породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов.

Установка бурового станка и указанной лебёдки с тросом на передвижной платформе, которую фиксируют над сооружаемой скважиной, позволяет использовать способ как в подземных условиях, так и на дневной поверхности, что расширяет область применения способа, и сравнительно быстро, без особых усилий, позволяет перемещать буровой станок на следующую скважину, что повышает эффективность способа и, как следствие, снижает стоимость его реализации.

Указанная совокупность признаков позволяет, в отличие от прототипа, избежать постоянного статического контакта расширителя со стенкой сооружаемой скважины большого диаметра, поскольку в предлагаемом способе разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра реализуют не статическими усилиями расширителя, а динамическими, тангенциально-ударными, наименее энергоёмкими воздействиями его на кровлю и стенку создаваемой скважины большого диаметра, которые осуществляют породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов. Это значительно повышает скорость разбуривания пилот-скважины при снижении энергетических параметров всей установки, т.е. повышает эффективность способа и его надежность при снижении стоимости, т.к. поломка или износ одного из подвижных элементов породоразрушающего инструмента не приводит к остановке процесса разбуривания пилот-скважины до заданного диаметра.

Оснащение при этом расширителя центрирующим устройством позволяет осуществлять его центрирование в пилот-скважине и предотвращать смещение его от проектной траектории заданной скважины большого диаметра, что повышает эффективность и надёжность способа.

Целесообразно использовать расширитель, приспособленный для попеременного разбуривания пилот-скважины как из транспортно-сортировочной выработки к устью, так и обратно. Причем при разбуривании из транспортно-сортировочной выработки к устью пилот-скважины породоразрушающий инструмент в расширителе закрепляют со стороны устья пилот-скважины, а при разбуривании из устья пилот-скважины к транспортно-сортировочной выработке расширитель предварительно переворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚. Указанные операции позволяют использовать попеременно один и тот же расширитель при сооружении скважин большого диаметра как из верхней выработки или с дневной поверхности, так и из транспортно-сортировочной выработки, расширяя область применения способа, что существенно повышает его эффективность.

Целесообразно в качестве подвижных элементов использовать молотковые роторы. Практика сооружения скважин большого диаметра однозначно дает основание полагать, что применение молотковых роторов позволяет эффективно воздействовать на породный массив, при этом износ и поломка молотковых роторов – минимальны. Ремонт и замена молотковых роторов не требуют серьёзных затрат при низкой их стоимости.

Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации способа сооружения скважин большого диаметра (далее - способ) и чертежами фиг. 1-5, где на фиг. 1 изображена реализация предлагаемого способа из транспортно-сортировочной выработки (исходное положение), на фиг. 2 – схема реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины при ходе буровой колонны из транспортно-сортировочной выработки к устью пилот-скважины, на фиг. 3 - схема реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины при ходе буровой колонны из устья пилот-скважины к транспортно-сортировочной выработке, на фиг. 4 – выносной элемент I на фиг. 2 в увеличенном масштабе, на фиг. 5 – разрез А-А на фиг. 4, стрелки на фиг. 2, 3 показывают направления вращения буровой колонны и её перемещения, на фиг. 5 – направление вращения молоткового ротора.

Способ реализуют следующим образом. Над проектной отметкой сооружаемой скважины 1 большого диаметра устанавливают передвижную платформу 2 (далее – платформа 2), которую жестко фиксируют в породном массиве, например, монтажными анкерами 3 (фиг. 1). Платформа 2 оснащена плитой 4 для монтажа бурового станка 5 с буровой колонной 6 и лебёдки 7 с тросом. После их установки бурят пилот-скважину 8 до транспортно-сортировочной выработки 9. Нижний конец буровой колонны 6 соединяют с расширителем 10 тангенциально-ударного действия (далее - расширитель 10), оборудованным центрирующим устройством 11, представляющим собой втулку с диаметром, равным или немного меньшим диаметра пилот-скважины 8. Расширитель 10 оборудован породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков 12 подвижных элементов, например, молотковых роторов 13, оснащенных отдельными двигателями 14 (пневматическими, гидравлическими или электрическими), передающими вращательное движение через передачу 15 (цепную, ремённую и т.д.) на валы 16 молотковых роторов 13 (фиг. 4, 5). Молотковые роторы 13 в предлагаемом способе могут быть заменены на роторы с цепями, тросами и т.д. По меньшей мере, два блока 12 молотковых роторов 13 необходимы для обеспечения равновесия расширителя 10, т.е. предотвращения его перекоса при сооружении скважины 1 большого диаметра и извлечении из неё.

При разбуривании используют расширитель 10, приспособленный для попеременного разбуривания пилот-скважины 8 как из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью, так и обратно, причем при разбуривании из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью пилот-скважины 8 породоразрушающий инструмент в расширителе 10 закрепляют со стороны устья пилот-скважины 8, а при разбуривании из устья пилот-скважины 8 к транспортно-сортировочной выработке 9 расширитель 10 предварительно переворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚.

При сооружении скважины 1 большого диаметра из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью скважины 1 включают буровой станок 5. Буровая колонна 6, соединенная с расширителем 10 на нижнем её конце, поднимается вверх (фиг. 2). Центрирующее устройство 11 предотвращает смещение расширителя 10 от заданной траектории бурения, а в качестве направляющей для центрирующего устройства 11 используют пилот-скважину 8. Расширитель 10 разбуривает пилот-скважину 8 до заданного диаметра, сооружая скважину 1. Буровой шлам падает в транспортно-сортировочную выработку 9 и удаляется для дальнейшей переработки известными способами. После того, как расширитель 10 достигнет поверхности разрабатываемого породного массива в буровой выработке или дневной поверхности, сооружение скважины 1 большого диаметра завершено. Расширитель 10 при помощи лебёдки 7 с тросом опускают в транспортно-сортировочную выработку 9. Демонтируют монтажные анкеры 3 и перемещают платформу 2 на следующую проектную отметку. Цикл повторяют.

При реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины 8 при ходе буровой колонны 6 из устья пилот-скважины 8 к транспортно-сортировочной выработке 9 после проходки пилот-скважины 8 до транспортно-сортировочной выработки 9 буровую колонну 6 бурового станка 5 поднимают выше устья пилот-скважины на 0,3-0,5 м в зависимости от размеров центрирующего устройства 11 расширителя 10. Расширитель 10 предварительно поворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚. Нижний конец буровой колонны 6 соединяют с расширителем 10, оборудованным центрирующим устройством 11 (фиг. 3). Буровую колонну 6 бурового станка 5 с расширителем 10, оборудованным центрирующим устройством 11, вращая расширитель 10, подают вниз по образованной ранее пилот-скважине 8. Буровой шлам, образующийся при разбуривании пилот-скважины 8, самотёком перемещается к выходу последней в транспортно-сортировочную выработку 9, где его удаляют и обрабатывают оборудованием, входящим в состав добычной установки, для дальнейшей выдачи его на дневную поверхность. После того, как расширитель 10 достигнет верхней границы транспортно-сортировочной выработки 9, сооружение скважины 1 большого диаметра завершено. Буровую колонну 6 бурового станка 5 с расширителем 10 поднимают в буровую выработку или на дневную поверхность. Далее демонтируют монтажные анкеры 3 и перемещают платформу 2 на следующую проектную отметку. Цикл повторяют.

Изобретение относится к горному делу, используется для расширения пилот-скважин при разработке и добыче полезных ископаемых. Способ сооружения скважин большого диаметра включает бурение пилот-скважины буровым станком с буровой колонной, разбуривание упомянутой пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, при этом перемещение расширителя осуществляют посредством лебёдки с тросом. Буровой станок и указанную лебёдку с тросом устанавливают на передвижную платформу, зафиксированную над сооружаемой скважиной. Для разбуривания пилот-скважины используют расширитель тангенциально-ударного действия, оборудованный центрирующим устройством, направленным в пилот-скважину, и породоразрушающим инструментом в виде по меньшей мере двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов. Обеспечивается увеличение скорости разбуривания пилот-скважины при наименее энергоемком воздействии расширителем на породный массив, расширение области применения способа путём возможности разбуривания пилот-скважины и с дневной поверхности, и с использованием подземных выработок, использование простого, менее дорогостоящего и более износостойкого оборудования. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сооружения скважин большого диаметра, включающий бурение пилот-скважины с помощью бурового станка с буровой колонной, разбуривание упомянутой пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, при этом перемещение расширителя осуществляют посредством лебёдки с тросом, отличающийся тем, что буровой станок и указанную лебёдку с тросом устанавливают на передвижную платформу, зафиксированную над сооружаемой скважиной, а для разбуривания пилот-скважины используют расширитель тангенциально-ударного действия, оборудованный центрирующим устройством, направленным в пилот-скважину, и породоразрушающим инструментом в виде по меньшей мере двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют расширитель, приспособленный для попеременного разбуривания пилот-скважины как из транспортно-сортировочной выработки к устью, так и обратно, причем при разбуривании из транспортно-сортировочной выработки к устью пилот-скважины породоразрушающий инструмент в расширителе закрепляют со стороны устья пилот-скважины, а при разбуривании из устья пилот-скважины к транспортно-сортировочной выработке расширитель предварительно переворачивают вокруг его диаметральной оси на 180°.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве подвижных элементов используют молотковые роторы.