Способ образования ниши и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК E21B7/00 E21B3/00 E21B19/00 

(54) СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ НИШИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к горному делу и предназначено для образования в массиве горных пород ниши преимущественно для выполнения спуско-подъемных операций и наращивания длинномерных труб при бурении глубоких скважин в подземных условиях.

Известен буровзрывной : способ образования в массиве горных пород камерыниши для выполнения операций с длинно- ,Q мерными трубами бурового снаряда.

Указанный способ включает бурение вспомогательных скважин в направлении, обратном направлению основной скважины, и их разделку, включающую заряжение и 15 взрывание с уборкой взорванной горной массы и образованием камеры-ниши на глубине, обеспечивающей выполнение спуско-ч1одъемных операций и наращивание длинномерными трубами бурового снаряда 20 при бурении основной скважииы ij .

Недостатками известного способа яв- ляю1х:я большой Г1бъем извлекаемой гор- .

ной массы, значительная сложность взрывных работ при образовании нищи в выработках с проложенными энергетическими и транспортными коммуникациями (трубопроводы, кабели, рельсовый путь и т. п.), а также необходимость в сооружении специальных устройств для центрадии заднего конца длинномерных труб при их заворачивании и отворачивании во время спуско- подъемных операций и наращивания снаряда.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ образования ниши для выполнения спуско- подъемных операций и наращивания длинномерных труб при бурении скважин в подземных условиях.

Указанный способ предусматривает бурение ряда параллельных скважин, при котором каждая скважина пересекает со- сед1пою и образуется щель в Ыще соединенных между собой цилиндрических полостей 2j . 396 Недостатками указанного способа являются сложность применяемого оборудования, необходимость бурения скважин большого диаметра для получения щели, достаточной для операций с трубами, неудобство в операдаях с трубами в щели с неровными стенками и необходимость в дополнительной центрации заднего конца длинномерных труб при операциях с ни ми., Известны устройства для образования щели при отклонении ствола скважины от (Заданного направления, включающие породоразрушаюший инструмент, соединяемый с вращательно-подающим механизмом бу- рового станка снарядом с щарнирными звеньями, и отклоняющее устройство в ви де клина. Отклонение скважин указанными устройствами включает бурение скваж1н, установку и закрепление в заданном направлении отклоняющего клина, вращение с осевой нагрузкой породоразрущающего инструмента и подачей промывочной жидкости в скважину З . Недостатками этих устройств являются сложность операции установки клина, маJJaя величина отклонения скважины за одн операцию, а также больщие затраты врем ни на процесс отклонения скважины. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для образования ниши, включающее вращатепьно-подающий механизм, промывочный сальник, породоразрушающий инструмент, армированный износостойкими элементами механизм отклонения оси инстр)умента от оси вращения . J . Недостатками данного устройства являются малый угол отклонения скважины, большие затраты времени на процесс его .ориентации и отклонение скважины, слож. ность применяемого оборудования, большо объем удаляемой породы при сооружении щели, а также отсутствие возможности центрации заднего конца труб при выполнении щели в горизонтальной плоскости и направлении ее вниз. IJejn изобретения - снижение объема ювлекаем ой горной породы и обеспечение центрации длинномерных труб в нише в процессе их наращивания и спуско-чюдъем ных операций при бурении основной скваяашы. Поставленная цель достигается тем. что рг зделку вспомогательной скважины выполняют цилиндрическим породоразрущающим. инструментом, армированным изно 4 |::остойкнми элемсттами, путем ввода его 6 в разделываемую скважину, создания на выступающую из скважины часть инстру- мента боковой нагрузки, вращения инструмента с одновременным осевым возвратнопоступательным перемещением на величину щага износостойких элементов и прорезанием щели .в виде двух трапеций, сопряженных малыми основаниями. Устройство для реализации способа. включающее вращательно-подающий механизм, промывочный сальник, породоразру1иа:ющий инструмент, армированный износостойкими элементами, механизм отклонения оси инструмента от оси вращателя, снабжено отклоняющим грузом, соединенным посредством тяги с корпусом сальника, а промывочный сальник закреплен на выходящем из скважины конце породоразрушающегоинструмента,, при этом длина инструмента равна длине отклоняемой скважины. Кроме того, породоразрушающий инструмент армирован износостойкими элементами с насыщением, убывающим по его длине от концов к середине. На фиг. 1 изображена ншна, боковой вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 (вид из выработки, где установлен буровой станок); на фиг. 3 - устройство для образования ниши; на фиг. 4 - прием извлечения длинномерной трубы или наращивание снаряда. В горной выработке 1 осуществляется бурение основной и вспомогательной 2 скважины. Щелеобразная ниша состоит из устьевой 3 и забойной 4 части. Устройство для образования ниши (фиг. 3) размещено в скважине и состоит из цилиндрического породоразрущающего инструмента 5, армированного по наружной поверхности износостойкими элементами 6 (резцами, алмазеодержащими вставками и т. П;). Внутри инструмента выполнен центральный 7 и радиальные 8 каналы для промывочной жидкости. На выходящем в горную выработку конце породоразрушаю- щего инструмента крепятся промывочный сальник с невращающимся корпусом 9 и ротором 10. К ротору сальника крепится шарнирный (гибкий) буровой вал 11, который, соединяется с вращательно-подающим механизмом 12 бурового станка. К корпусу сальника крепится трос 13 с грузом 14. Направление тросу задается с помощью направляющего ролика 15, закрепленного хомутом 16 на распорной колонке 17. Способ осуществляется следующим образом. 596 В горной выработке 1 устанавливают буровой станок. Вращатель 12 бурового станка ориентирует по оси бурения основной скважины и осуществл51ют в обратном направлении бурение вспомогательной сква жины 2, После бурения расширяют одно временно устьевую и забойную части вспо могательной скважины в противоположных боковых направлениях с образованием плос кой щели, имеющей продольное сечение в виде двух трапеций 3 и 4, соединенных малыми основаниями в середине скважи1:ы Для этого породоразрушающий инструмент вводят в разделываемую вспомогательную скважину, создают на выступающий из скважины конец инструмента боковую нагрузку, осуществляют вращение инструмен та с одновременным его осевым перемещением вперед-назад на величину шага расположенных на его боковой поверхности износостойких элементов. Диаметр вспомогательной скважины выбирают исходя из условия свободного вращения и осевого перемещения в ней труб, бурового снаряда. Глубина вспомогательной скважины должна обеспечивать размещение от ее забоя до шпинделя бурового станка длинномерной трубы. Направ ление расширения (отклонения) устьевой части скважины выбирают исходя из условий удобства осуществления операций с длинномерными трубами и минимума объема извлекаемой горной породы. Оптимальными направлениями для отклонения, устья скважины могут буть вниз (при складировании труб ниже шпинделя бурового станка) или в сторону установленного в горной выработке стеллажа для труб. В случае наличия у бурового станка в указанных направлениях деталей, значительно отстоящих от оси бурения, исходя из условия минимального объема извлекаемой горной породы рациональными могут оказаться также и другие напра(вления для отклонения скважины и образования щели. Необходимая величина отклонения скважины зависит от габаритов бурового станка, его удаления от начала ниши и длины применяемых труб. Так, например, при установке бурового станка на расстоянии 1 м от борта горной выработки, при минимальном удалении деталей станка от оси бурения в 200 м и длине бурильных труб в 3,О м необходимый угол отклонения скважины при образовании щелеобразной ШШ1И составляет s. В случае применения труб длиной болееширины выработки необходимый угол отклонения скважины 96 шели зависит также от соотношения длины применяемых труб и ширины горной выработки. Устройство, осущес-твляюшее способ. работает следующим образом, Для образования нищи в пробуренную скважину 2 вставляется породоразрушающий инструмент 5, длина которого равна .длине отклоняемой скважины, а диаметр его - несколько больше диаметра труб, которыми осуществляется наращивание I снаряда и спуско-чюдъемные операции. |При малом расстоянии между буровым станком и бортом горной выработки породоразрушающий инструмент собирается из звеньев, длина которых должна быть мен1 шё или равной максимальному расстоянию от вращателя бурового станка 12 до борьта горной выработки 1. К выходящему из скважины концу породоразрушающего инст руг,тента 5 крепятся ротор 10 промьшочного сальника, шарнирный (гибкий) буровой вал 11 и вращательно-подающий механизм бурового станка 12. Определяется ;рациональное направление отклонения скважины. В горной выработке 1 вблизи устья отклоняемой скважины 2 устанавливается распорная колонка 17, на которой закрепляется один или два направляющих ролика 15. К корпусу 9 сальника крепится конец троса 13, который перебрасывается через направляющий ролик 15. К другому концу троса подвешивается груз 14 и осуществляется подача промьгоочной жидкости и вращение снаряда. Промывочная жидкость в скважину выходит через передний конец 7 трубчатого породоразрушаюЩего инструмента и боковые (радиальные) отверстия 8 в нем и гслужит для охлаждения породоразрушающих элементов 6 и выноса шлама из скважины при ее отклонении. При отклонении (расширении) горизонтальной скважины вниз отклоняющий груз 14 может быть подвещен непосредственно к корпусу 9 :;альника без применения распорной колонjoi 17 и направляющего ролика 15. Подвешенный к тросу груз создает на породоразрушающий инструмент отклоняющую нагрузку, в результате чего происходит отклонение скважины с прорезанием щели. Наибольшее отклонение от исходного положения имеют концы породоразрушающего инструмента, вследствие чего образуется две трапециевидные щели 3 и 4, соединенные малыми основаниями в средней части отклоняемой скважины. В связи с тем, что объем разрушаемой породы максимален на концах породо796разрушающего инструмента и уменьшается к его середине, равномерный износ всех породоразрушающих элементов может быть достигнут при уменьшении интенсивности насыщения ими инструмента от кондов к . середине. При перекрытии пород1: разрушаюишми элементами всей поверхности инструмента образование щели возможно за счет вращения снаряда без его осевого перемеще ния. При установке породоразрушающих элементов на длине инструмента с определенным интервалом (шагом) необходимо осуществлять одновременно с вращением и осевое перемещение (вперед-назад) инст румента на величину этого интервала. Направление щели задается выбором места крепления направляющего ролика по высоте распорной колонки, углом установки колонки в выработке и изменении расстояния колонки от скважины. Таким образом, щелеобразная ниша заданной конфигурации с ориентацией ее в любом удобном для работы направлении образуется буровым станком без смещения его вращателя с оси и угла бурения основной скважины. Ыиша предлагаемой формы выполняется с минимальным объемом извлекаемой породы. Так, например, ниша в виде треугольника, которую теоретически возможно выполнить за счет многократных поста новок отклоняющих клиньев при одинаковом заданном угле поворота длинной трубы, имеет объем, в несколько раз превышающий объем предлагаемой ниши. Образование щелеобразной нишис зад ней стороны бурового станка (фиг. 4) во В(.:помогательной скважине позволяет осуществлять наращивание снаряда, а также спуско-подъемные и т. п. операции длин- тюмерными трубами без смещения враша- теля с оси бурения с задней стороны шпинделя бурового станка. Для наращивания снаряда длинномерная труба вводится в щель вспомогательной скважины под углом к оси бурения, поворачивается соосно с основной осью бурения и подается вперед для соединения с колонкой. Операция извлечения длинномерных труб производится в обратной последовательности. При этом ителеобразная ниша, выполнен- ная в виде двух трапеций, независимо от направления щели обеспечивает соосность наращиваемой штанги с основной колонной, что облегчает их соединение при нарашиШ1НИИ снаряда и спуско-подъемньк опера- -55 . Такая функция ниши позволяет исключить из комплекса бурового оборудования устройства (или дополнительного рабочего). 68 предназначенные для центрадии заднего конца длинномерных штанг при их соединении и разъединении с основной колонной. В связи с тем, что применение пред- лагаемого устройства не требует значи- тельных затрат времени на подготовительно-закпючительные операции и позволяет выполнить нишу за одну операцию, то затраты времени на ее образование незначительны. Предлагаемое устройство используется в сочетании с основным буровым станком и не требует разработки каких-либо сложных узлов и деталей, что существенно упрощает применяемое оборудование и повышает надежность его эксплуатации, Армировка породоразрушающего инструмента износостойкими элементами с интенсивностью насыщения, убывающей от концов к середине инструмента, позволяет снизить общее количество элементов, обеспечить равномерный износ всех элементов, производить одновременно заточку элементов или их бракову. Снижение расхода износостойких элементов достиг-ается также установкой их на поверхности инструмента с определенным интервалом (,шагом) и осевым смещением инструмента впередназад во время отклонения скважины на величину этого интервала. Отсутствие необходимости в смещении вращателя с оси бурения существенно упрощает конструкцию бурового станка, а применение длинномерных труб для наращивания снаряда и бурения скважины снижает стоимость изготовления бурового снаряда и вероятность возникновения аварий со снарядом, так как стоимость его изготовления и количество аварий находятся в прямой зависимости от числа резьбовых соединений. Кроме того, с применением длинномерных штанг снижаются затраты времени на процесс наращивания снаряда и спуско-подъемные операции, Прнме1 ение длинномерных колонковых труб при бурении разведочных скважин в стесненных шахтпых условиях позволит снизить искривление скважин, увеличить стойкость бурового снаряда, а также проходку за каждый рейс бурения. Образование щелеобразной ниши предлагаемым устройством снижает объем подготовительных горньЕХ работ для установки разведочных буровых станков, так как стоимость выполнения ниш в горных выработках буровзрывным способом весьма высокая, кроме того, сооружение ниш для работы с длинномерными трубами буровзрывным способом в ряде случаев 9П практически невозможно. Подача промыво ной жидкости непосредственно в породоразрушающий инструмент, минуя бурово вал, позволяет существенно упростить . конструкцию шарнирных узлов бурового вала и увеличить допускаемый этим валом угол отклонения инструмента от пер воначального направления. Формула изобретения 1. Способ образования ниши для выполнения спуско-подъемных операпий и наращивания длинномерных труб при бу- рении глубоких скважин в подземных условиях, включающий бурение в обратном направлении вспомогательной скважины и ее разделку с удалением горной породы, отличающийся тем, что, с целью снижения объема извлекаемой гор ной породы и обеспечения центрации длин номерных труб в нише в процессе их наращивания и спуско-подъемных операций при бурении основной скважины, разделку вспомогательной скважины выполняют ци- |линдрическим породоразрушаюшим инструментом, армированным износостойкими элементами, путем ввода его в разделываемую скважину, создания на выступаю- щую из скважины часть инструмента боковой нагрузки, вращения инструмента с одновременным осевым возвратно-поступательным перемещением его на величину щагаизносостойких элементов и прорезанием щели в виде двух трапеций, сопряженных малыми основ:аниями.

(Pu2.2 О в10 2.Устройство для осуществления способа по п, 1, включающее вращательно- подающий механизм, промывочный сальник, породоразрушающий инструмент, армированный износостойкими элементами, и механизм отклонения оси инструмента от оси вращения, отличающееся тем, что, с целью ускорения образования ниши и упрощения конструкхши, оно снабжено отклоняющим грузом, соединенным посредством тяги с корпусом сальника, а промывочный сальник закреплен на выходящем из скважины конце породоразрушаюшего инструмента, при этом длина инструмента ;мвна длине отклоняемой скважины. 3.Устройство поп. 2, отличающееся тем, что, с целью снижения расхода износостойких элементов, породо.разрушающий инструмент армирован с насьпцением, убьшающим по его длине от концов к середине. Источншси информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Руководство по алмазному колонковому бурению. Л., Недра, 197О, с. . 2.Патент Франции № 23 16О5, кл. Е 21 С 1/ОО, 1977 (прототт). I 3.Лиманов Е. Л. и др. Направленное бурение разведочных скважин. М., Недра , 1978, с. -118. 4.Авторское свидетельство СССР № 386117, кл. Е 21 В 7/08, 1967 (прототип).