Способ бурения скважины с одновременной обсадкой Российский патент 2024 года по МПК E21B7/20 

Изобретение относится к горной технике, а именно к способам бурения скважин с одновременной обсадкой, и может найти применение также в строительстве.

Известен способ бурения скважин с одновременной обсадкой по патенту РФ № 2750793, кл. Е21В 7/20, опубл. 02.07.2021, Бюл. № 19, включающий разрушение породы на забое скважины посредством ударно-вращательного действия на него обсадно-буровым инструментом с выдвижной головной частью, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов. Ударные импульсы на обсадную трубу передают за пределами её внутреннего диаметра посредством подпружиненных упорных вкладышей, установленных в полостях обсадно-бурового инструмента с упором на упорную поверхность в передней части расточки опорной втулки, прикрепленной к передней части наружной поверхности обсадной трубы и имеющей в задней части расточки коническую поверхность, с помощью которой по окончании бурения упорные вкладыши поджимают и перемещают в указанные полости обсадно-бурового инструмента при извлечении его из скважины, при этом используют опорную втулку, имеющую наименьший внутренний диаметр не менее внутреннего диаметра обсадной трубы.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: разрушение забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на неё за пределами её внутреннего диаметра.

Недостатком данного способа является обязательное использование призабойной ударной машины для импульсного воздействия на обсадную трубу при её продвижении в сторону забоя, что усложняет реализацию способа, снижая надежность, и повышает его трудозатраты, увеличивая стоимость. Для эффективного применения обсадно-бурового инструмента при реализации данного способа необходимо увеличить упорную поверхность в его расточке, что ведет к повышению площади лобовой поверхности обсадной трубы, а значит, к повышению лобового сопротивления, увеличению энергозатрат при продвижении обсадной трубы и, как следствие, к снижению эффективности способа. Применение подпружиненных упорных вкладышей, подвергающихся постоянному динамическому воздействию в процессе реализации способа, ведет к их быстрому износу и поломке, что снижает надежность способа. Кроме того, опорная втулка с конусными и цилиндрическими расточками, применяемая в аналоге, является дорогостоящим изделием и её «невозврат» также повышает стоимость реализации рассматриваемого способа. Выдвижная складывающаяся головная часть обсадно-бурового инструмента является сложным дорогостоящим элементом конструкции, подвергающимся поломке, что также снижает надежность способа, увеличивая его стоимость.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ строительства свай по патенту Южной Кореи KR10-0837182, включающий установку свай или кожухов в землю, при которой работы по бурению и забивке выполняют одновременно, без вращения обсадной трубы.

Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: разрушение центральной части забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закреплённом на внешней поверхности обсадной трубы.

Недостатком прототипа является практическая невозможность реализации способа в горных породах, поскольку разрушение периферийной части забоя производят торцем обсадной трубы 1 с помощью ударных механизмов 132 без вращения обсадной трубы 1. Это значительно снижает эффективность и надежность рассматриваемого способа, поскольку даже незначительное включение твердых пород в массиве приведёт к смятию торца обсадной трубы и, как следствие, к её остановке в процессе бурения и забивки с обсадкой.

Проблема заключается в повышении надёжности, экономической и технологической эффективности способа бурения скважин с одновременной обсадкой за счет воздействия на периферийную часть забоя зазубренным башмаком, снижения энергозатрат на реализацию предлагаемого способа путем вращения обсадной трубы при её продвижении к забою, а также за счет обеспечения возможности применения менее сложных, дорогостоящих и более ремонто-пригодных механизмов при реализации способа.

Проблема решается тем, что в способе бурения скважин с одновременной обсадкой, включающем разрушение центральной части забоя скважин посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закрепленном на внешней поверхности обсадной трубы, согласно техническому решению периферийную часть забоя разрушают зазубренным башмаком обсадной трубы, вращая её с помощью упомянутых ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении.

Разрушение центральной части забоя свободно расположенным в обсадной трубе рабочим инструментом значительно расширяет возможности способа бурения с одновременной обсадкой. Бурение может производиться практически любым способом, например, без ударного механизма спереди буровой колонны, шарошечными насадками, долотами, коронками различных конструкций и т.д.

Передача ударных импульсов на зазубренный башмак обсадной трубы, который увеличивает диаметр последней, позволяет не только разрушать периферийную часть забоя, но и обеспечивает более эффективное продвижение обсадной трубы в сторону забоя, т.к. значительно снижается трение грунта по боковой поверхности обсадной трубы. Размещение ударных механизмов в монтажном устройстве, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении и закрепленных на внешней поверхности обсадной трубы вне скважины, способствует не только разрушению периферийной части забоя и продвижению обсадной трубы, но и исключает необходимость применения внутри скважины, на буровом ставе и торце обсадной трубы, сложных и дорогостоящих конструкций как в прототипе, что повышает надежность и экономичность способа. Кроме того, предлагаемый способ позволяет варьировать величину энергии ударного механизма, расположенного в монтажном устройстве, закрепленном на внешней поверхности обсадной трубы. В твердых породах для обеспечения реализации технологических процессов необходимо установить несколько ударных механизмов, в менее твердых – достаточно одного.

При продвижении обсадной трубы в сторону забоя её вращение позволяет разрушать периферийную часть забоя зазубренным башмаком нижней части обсадной трубы. В этом случае даже при самом незначительном вращении обсадной трубы скорость её продвижения по скважине к забою и разрушение его периферийной части будут значительно увеличены, что существенно повышает эффективность способа, поскольку достигается эффект шлямбура.

Одновременное продвижение обсадной трубы к забою с помощью ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении, и её вращение при этом для разрушения зазубренным башмаком периферийной части забоя, существенно повышает эффективность предлагаемого способа бурения скважин с одновременной обсадкой.

Реализация вращения обсадной трубы с помощью ударных механизмов, установленных каждый в монтажном устройстве под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении, и выбранный диапазон угла наклона обоснованы расчетами и результатами экспериментов. При такой реализации способа ударные механизмы будут надёжно вращать обсадную трубу с зазубренной нижней частью, также повышая эффективность способа.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа бурения скважин с одновременной обсадкой и чертежом, где иллюстрируется предлагаемый способ.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. При проходке скважины 1 с одновременным продвижением обсадной трубы 2 в сторону забоя центральную часть 3 забоя разрушают рабочим инструментом 4, прикладывая к нему осевое давление и крутящий момент через буровой став 5. Наружный диаметр рабочего инструмента 4 меньше внутреннего диаметра обсадной трубы 2, что позволяет свободно извлекать его из скважины 1 и манипулировать им в последней. В качестве рабочего инструмента 4 используют шарошечные долота, коронки, также может применяться ударно-вращательное бурение с погружной ударной машиной. В верхней части обсадной трубы 2 с помощью монтажного устройства 6 устанавливают ударные механизмы 7 необходимой мощности в конусной втулке или посредством струбцины (на чертеже не показано). Ударный механизм 7, генерируя импульсные воздействия на обсадную трубу 2, обеспечивает одновременно с бурением центральной части 3 забоя разрушение периферийной части 8 забоя башмаком 9 обсадной трубы 2, выполненным, как правило, из твердосплавного материала и жёстко прикрепленным заранее к нижнему торцу обсадной трубы 2. По мере наращивания обсадной трубы 2, монтажное устройство 6 перемещают на каждую последующую секцию обсадной трубы 2. Вынос бурового шлама осуществляют очистным агентом, подаваемым на забой скважины 1 (на чертеже не показан) и проходящим через зазор между буровым ставом 5 и внутренней поверхностью обсадной трубы 2. В твердых породах для обеспечения реализации способа необходимо установить несколько ударных механизмов 7.

Для существенного повышения эффективности способа башмак 9 обсадной трубы 2 выполняют с зубьями 10, а при продвижении обсадной трубы 2 и разрушении периферийной части 8 забоя её вращают (стрелка на чертеже). В этом случае возможна реализация способа в скальных породах, поскольку даже незначительное поворотно-поступательное вращение обсадной трубы 2 при тех же динамических воздействиях ведет к более эффективному разрушению периферийной части 8 забоя зубьями 10 башмака 9 обсадной трубы 2.

Вращение обсадной трубы 2 можно осуществлять различными способами. Например, монтажное устройство 6 может быть изначально изготовлено с возможностью установки каждого ударного механизма 7 под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении (на чертеже не показана). В этом случае ударные импульсы обеспечивают не только продвижение обсадной трубы 2 в сторону забоя скважины 1, но и её вращение. Диаметр обсадной трубы 2 увеличен, что способствует эффективному разрушению периферийной части 8 забоя зубьями 10 башмака 9 обсадной трубы 2.

Возможность отказа от использования погружной машины в процессе бурения, применение несложных, удобных и недорогих устройств для реализации способа позволяет существенно повысить его эффективность, надёжность при экономическом преимуществе.

Изобретение относится к горной технике, а именно к способу бурения скважин с одновременной обсадкой, и может найти применение в строительстве. Способ бурения скважины с одновременной обсадкой включает разрушение центральной части забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на ее нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закреплённом на внешней поверхности обсадной трубы. Периферийную часть забоя разрушают зазубренным башмаком обсадной трубы, вращая её с помощью упомянутых ударных механизмов, каждый из которых установлен под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении. Обеспечивается воздействие на периферийную часть забоя зазубренным башмаком, снижение энергозатрат, применение менее сложных, дорогостоящих и более ремонтопригодных механизмов. 1 ил.

Способ бурения скважины с одновременной обсадкой, включающий разрушение центральной части забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закреплённом на внешней поверхности обсадной трубы, отличающийся тем, что периферийную часть забоя разрушают зазубренным башмаком обсадной трубы, вращая её с помощью упомянутых ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении.