Способ бурения скважин в мерзлом грунте Советский патент 1993 года по МПК E21B7/00 E02F5/30 

Изобретение относится к бурильной технике, а именно к технологии бурения скважин в мерзлых грунтах шнековыми рабочими органами.

Известен способ бурения скважин шнековыми бурами, включающими полую штангу, наконечник с режущими элементами и винтовую лопасть закрепленную внутренней кромкой на внешней поверхности штанги, путем приложения осевого усилия и вращающего момента к буровой штанге. При этом режущие элементы срезают грунт, а шнековая винтовая лопасть транспортирует его к устью скважины.

К недостатку данного способа следует отнести значительную энергоемкость бурения скважин, обусловливаемую излишним переизмельчением грунта при разрушении его в скважине.

Наиболее близок к предлагаемому способ бурения скважин, реализуемый винтовым рабочим органом авт.св., включающим приводную штангу с винтолопастным наконечником и охватывающий штангу скалывающий инструмент, выполненный в виде

шнековой лопасти, которая закреплена внутренней кромкой на штанге и имеет переменный шаг, увеличивающийся в сторону от наконечника.

Способ бурения данным инструментом заключается в следующем. При вращении приводной штанги и наличия давления на забой наконечник с помощью винтовой лопасти внедряется в мерзлый грунт, за счет сил трения наконечник нагревается и мерзлый грунт переходит в талое состояние. Затем грунт уплотняется по мере заглубления наконечника, который нарезает в массиве грунта винтовую полость, имеющую форму поперечного сечения винтовой лопасти наконечника. Следом за винтовой лопастью наконечника в образованную им полость внедряется шнековая лопасть, имеющая постепенно увеличивающийся шаг, за счет чего в мерзлом грунте растут напряжения растяжения, грунт срезается и транспортируется шнековой лопастью.

К недостаткам описанного способа следует отнести следующее. Вероятность ввинчивания основной шнековой лопасти в

ел

с

N

ioo

О

ifO iCO

м

мерзлый грунт зависит от физико-механических характеристик мерзлого грунта и от температуры его промерзания и не всегда возможно разогреть его наконечником до талого состояния, а без внедрения наконец- ника бурение невозможно. Кроме того, плавное увеличение шага шнековой лопасти приводит к преждевременному сколу (крошению) мерзлого грунта и не позволяет регулировать толщину скалываемых кусков мерзлого грунта, что наряду с затратами на разогрев трением, увеличивает удельную энергоемкость разработки скважин.

Цель изобретения - снижение энергоемкости бурения скважин в мерзлых грун- тах за счет уменьшения сил трения и скола грунта без его измельчения.

Указанная цель достигается тем, что ли- дирую щим инструментом создают лидирующую скважину диаметр которой равен диаметру штанги скалывающего инструмента, после этого прикладывают осевую нагрузку.и с вращением погружают винтовую скалывающую лопасть в мерзлый грунт на заданную глубину, стопорят винтовую скалывающую лопасть от осевого перемещения при сохранении крутящего момента и скалывают грунт, а после скола мерзлого грунта и его транспортировки к устью скважин цикл бурения повторяют.

Создание вначале цикла бурения ликвидирующей скважины диаметром, равным диаметру штанги винтового рабочего органа, позволяет затем ввинчивать в данную сквзжину винтовой рабочий орган, который шнековой лопастью образует винтовые углубления в лидирующей скважине подобно нарезанию резьбы в гайке.

Стопорение винтового рабочего органа от осевых перемещений при достижении задан- ной глубины его погружения при сохранении вращающего момента приводит к срыву названной выше резьбы, т.е. к крупному сколу мерзлого грунта в скважине; причем толщину скалываемого грунта за один цикл стопорения можно менять глубиной ввинчивания рабочего органа, что является существенным отличием от известных способов.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство включает шнековый буровой рабочий орган 1, выполненный составным из шнеков меньшего 2 и большего 3 диаметра, закрепленный во вращателе 4 с возможностью вращения и возвратно-по- ступательного перемещения совместно с вращателем и направляющей копровой мачты 5, под действием механизма подачи 6.

Бурение скважины осуществляется следующим образом.

Копровую мачту 5 закрепляют на поверхности грунта, включают вращатель 4 и механизм подачи 6. При этом под действием осевого усилия, создаваемого механизмом подачи 6, участок 2 рабочего органа 1 создает лидирующую скважину диаметром, равным диаметру штанги участка 2. После полного заглубления участка 2 рабочий орган 1 вынимают и разгружают шнек на участке 2, например, обратным вращением. Затем рабочий орган 1 опускают обратно в образованную лидирующую скважину, включает вращатель 4 и механизм подачи б и продолжают процесс бурения. При этом участок 2 рабочего органа 1 продолжает образовывать лидирующую скважину, а участок 3 шнеково- го рабочего органа 1 ввинчиваться в образованную ранее лидирующую сквзжину.По достижении некоторой глубины погружения участка 3, определяемой прочностью инструмента, механизм подачи 6 стопорят от осевого перемещения, продолжая вращать рабочий орган 1, В этот момент происходит скол грунта, расположенного сверху винтовой лопасти, аналогично срыву резьбы в завинченном до упора резьбовом крепеже и транспортировка его винтовой лопастью шнека 3 к устью скважины. Затем включают механизм подачи 6, и цикл бурения повторяется.

Предлагаемый способ позволяет снизить энергоемкость бурения скважин в мерзлом грунте, т.к. позволяет скалывать грунт не измельчая его, как это происходит при работе шнекового рабочего органа с буровой коронкой при постоянной подаче рабочего органа на забой.

Формула изобретения

Способ бурения скважин в мерзлом грунте, включающий приложение осевой нагрузки и крутящего момента к винтовому лидирующему инструменту с последующим введением в образовавшуюся скважину скалывающего грунт инструмента в виде шнековой лопасти, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости бурения за счет уменьшения сил трения и скола грунта без его измельчения, лидирующим инструментом создают лидирующую скважину, диаметр которой равен диаметру штанги скалывающего инструмента, после этого прикладывают осевую нагрузку и с вращением погружают винтовую скалывающую лопасть в мерзлый грунт на заданную глубину, стопорят винтовую скалывающую лопасть от осевого перемещения при сохра- нении крутящего момента и скалывают грунт, а после скола мерзлого грунта и его транспортировки к устью скважин цикл бурения повторяют.

Использование: бурение скважин в мерзлых грунтах шнековыми рабочими органами. Сущность изобретения: способ бурения скважин в мерзлом грунте заключается в предварительном создании лидирующей скважины с диаметром, равным диаметру штанги винтового рабочего органа, который ввинчивают посредством осевого усилия и вращающего момента в образованную ранее скважину, после чего рабочий орган стопорят от осевого перемещения на заданной глубине при сохранении вращающего момента. 1 ил.