Способ бурения прямолинейных скважин и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении прямолинейных скважин. Сущность способа бурения заключается в том, что в головной части става размещают автоматически управляемый направляющий опорный фонарь, а для обозначения заданного направления используют лазерный луч, при этом очистной агент, подаваемый в став, используют совместно с лазерным лучом для управления направляющим опорным фонарем в процессе бурения. Изобретение позволит повысить точность бурения прямолинейных скважин полым буровым ставом за счет применения лазерного луча. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к горному делу, а именно к бурению прямолинейных скважин в заданном направлении, и может быть использовано для проходки скважин различного назначения.

Известен способ бурения прямолинейных скважин, включающий ориентирование и установку рабочего органа бурильной машины в заданном направлении, бурение скважин полым буровым ставом, включающее наращивание става отдельными звеньями с одновременным размещением на ставе в определенной последовательности опорных фонарей, диаметр которых не менее диаметра породоразрушающего инструмента и подачу очистного агента в скважину (Сафохин М.С., Катанов Б.А. и др. Машины и инструмент для бурения скважин в угольных шахтах. М.: Недра, 1972, с. 169 - 170).

Известно устройство для осуществления способа, включающее рабочий орган бурильной машины, полый буровой став для подачи очистного агента, и жестко связанные со ставом центрирующие элементы, диаметр которых соответствует диаметру породоразрушающего инструмента (Мельничук И.П. Бурение направленных и многоствольных скважин. - М.: Недра, 1991, с. 158).

К недостаткам данного способа и устройства следует отнести низкую точность проходки скважин с увеличением их глубины, вследствие искривления, из-за отсутствия на ставе устройств, оперативно поддерживающих заданное направление и повышенного износа по диаметру центрирующих элементов при вращательном бурении скважин. Низкая точность бурения скважин предопределяет наличие дополнительных операций и устройств для контроля и поддержания заданного направления бурения, что снижает эффективность данного способа.

Известно также устройство для осуществления данного способа, включающее рабочий орган с полым шпинделем, вертлюг для подачи очистного агента, полый буровой став, в головной части которого размещен управляемый направляющий фонарь, содержащий полый вал, жестко связанный по концам с породоразрушающим инструментом и первым звеном става, и свободно установленный на вале корпус по меньшей мере с тремя опорными элементами для взаимодействия со стенками скважины (авт. св. СССР N 221615, кл. E 21 B 7/04, 1968). Данное устройство позволяет ориентировать буровой став в процессе бурения и обладает большей износоустойчивостью опорных поверхностей фонарей, вследствие того, что последние не участвуют во вращательном движении, а проталкиваются в скважине по ее стенкам, центрируя и направляя став относительно оси скважин.

Недостаток этого устройства заключается в недостаточной точности и значительной трудоемкости процесса ориентирования бурового става при помощи только одного отклоняющего опорного элемента, работающего как клин. Вследствие искривления скважины по ряду горно-технических причин в сторону, не совпадающую с направлением действия клина, или, наоборот, в направлении действия клина, но с интенсивностью отклонения более заданной, необходимо производить постоянный контроль и сложные перемещения одного опорного элемента по всему периметру скважины для возвращения става на проектную ось, что предопределяет наличие дополнительных операций и устройств для контроля и поддержания заданного направления бурения, а это снижает эффективность данного способа бурения и устройства для его осуществления.

Изобретение направлено на повышение точности бурения прямолинейных скважин полым буровым ставом за счет применения лазерного луча, которым обозначают заданное направление бурения и направляют во внутрь става, соосно его продольной оси, и, совместно с очистным агентом, используют для автоматического управления направляющим опорным фонарем, обеспечивающим бурение в заданном направлении.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для бурения прямолинейных скважин, включающем рабочий орган с полым шпинделем, вертлюг для подачи очистного агента, полый буровой став, в головной части которого размещен управляемый направляющий опорный фонарь, содержащий полый вал, жестко связанный по концам с породоразрушающим инструментом и первым звеном става, и свободно установленный на вале корпус по меньшей мере с тремя опорными элементами для взаимодействия со стенками скважины, на вертлюге установлен лазерный прибор, сфокусированный по продольной оси рабочего органа, при этом на внешней поверхности вала направляющего опорного фонаря выполнены кольцевая проточка и отверстие для сообщения с внутренней полостью вала, а на конце вала, обращенном навстречу лазерному лучу - фигурный фланец с приемными окнами и ребрами между ними, размещенными по его периметру, при этом опорные элементы направляющего опорного фонаря выполнены с возможностью независимого перемещения относительно корпуса и опираются на эластичные диафрагмы, образующие в корпусе направляющего опорного фонаря, под каждым опорным элементом, рабочие полости, каждая из которых соответственно сообщена с затрубным пространством дренажным отверстием и обратным клапаном, а с внутренней полостью вала направляющего опорного фонаря - отверстием, связанным кольцевой проточкой и отверстием вала с возможностью перекрытия доступа воздуха из внутренней полости вала направляющего опорного фонаря в рабочую полость путем закрытия указанного отверстия заслонкой, снабженной индивидуальным приводом, получающим сигнал управления от фотоэлементов, размещенных по периметру торца корпуса направляющего опорного фонаря напротив приемных окон фигурного фланца вала, причем фотоэлементы установлены с образованием боковых зазоров между собой и равноудалены от продольной оси, а ширина ребер между приемными окнами фигурного фланца вала и величина боковых зазоров между фотоэлементами меньше диаметра лазерного луча. Кроме того фигурный фланец вала жестко связан с первым звеном бурового става и содержит токосъемник для передачи электрического тока на индивидуальный привод заслонки. При этом электрический ток подается к токосъемнику фигурного вала по проводам, проходящим по внутренним стенкам звеньев полого бурового става, а каждое звено става содержит в замковых соединениях разъемные элементы для передачи электрического тока. Также на шпинделе рабочего органа размещен токосъемник и разъемные элементы для передачи электрического тока звеньям бурового става. Также внутри полого шпинделя рабочего органа, соосно продольной оси, может быть размещена с образованием полости внутренняя труба, которая жестко связана со шпинделем рабочего органа посредством фланцев, имеющих отверстия для пропуска жидкости. Также внутри каждого звена бурового става, соосно продольной оси, размещена с образованием полости внутренняя труба, которая жестко связана с трубой звеньев бурового става посредством фланцев, имеющих отверстия для пропуска жидкости. Также в соединениях звеньев бурового става размещены герметичные уплотнения, а ребра фигурного фланца вала направляющего опорного фонаря снабжены каналами, соединяющими полости звеньев бурового става с внутренней полостью вала. При этом на опорных поверхностях опорных элементов корпуса направляющего опорного фонаря выполнены продольные фиксирующие выступы.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа; на фиг. 2 показан управляемый направляющий опорный фонарь; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - схема размещения фотоэлементов; на фиг. 6 - вариант выполнения бурового става; на фиг. 7 - вид А на фиг. 6; на фиг. 8 - вариант выполнения рабочего органа.

Устройство для осуществления способа содержит рабочий орган 1 с полым шпинделем 2, установленным на подшипниках 3, вертлюг 4 с герметичными уплотнениями 5 и закрепленный на нем лазерный прибор 6, сфокусированный по оси рабочего органа 1, полый буровой став 7 с управляемым направляющим опорным фонарем 8 в головной части и породоразрушающим инструментом 9 (фиг. 1). При необходимости помимо управляемого направляющего фонаря 8 на ставе 7 могут размещаться обычные опорные фонари. Управляемый направляющий опорный фонарь 8 (фиг. 2 - 5) содержит полый вал 10, жестко связанный по концам с породоразрушающим инструментом 9 и первым звеном бурового става 7, и свободно установленный на подшипниках 11 корпус 12 по меньшей мере с тремя подвижными опорными элементами 13, содержащими опорные поверхности 14 с продольными фиксирующими выступами 15 для взаимодействия со стенками скважины. На внешней поверхности вала 10 и в его стенке выполнены соответственно кольцевая проточка 16 и отверстие 17 для сообщения с его внутренней полостью 18, а на конце, обращенном на встречу лазерному лучу, фигурный фланец 19 с приемными окнами 20 и ребрами 21 между ними, размещенными по периметру фланца 19. Подвижные опорные элементы 13 выполнены с возможностью независимого перемещения относительно корпуса 12 направляющего опорного фонаря 8 и опираются на эластичные диаграммы 22, образующие в корпусе 12 под каждым радиальным опорным элементом 13 рабочие полости 23, каждая из которых связана с затрубным пространством при помощи дренажного отверстия 24, и обратного клапана 25 и содержит отверстие 26, выполненное в корпусе 12 для сообщения рабочей полости 23 через отверстие 17 вала 10 с его внутренней полостью 18. В зазоре между корпусом 12 направляющего опорного фонаря 8 и внешней поверхностью вала 10 для перекрытия отверстия 26, выполненного в стенке корпуса 12 для сообщения рабочей полости 23 с внутренней полостью 18 вала 10, установлена заслонка 27 (золотник, клапан и т.п.), снабженная индивидуальным приводом 28, получающим сигнал управления от фотоэлементов 29, размещенных по периметру торца корпуса 12 направляющего опорного фонаря 8 напротив приемных окон 20 фигурного фланца 19 вала 10, причем фотоэлементы 29 установлены с образованием боковых зазоров 30 между собой и равноудалены от продольной оси, а шириной ребер 21 между приемными окнами 20 фигурного фланца 19 вала 10 и величина боковых зазоров 30 между фотоэлементами 29 меньше диаметра (d) лазерного луча. Для управления индивидуальным приводом 28 заслонок 27 служит токосъемник 31, установленный на фигурном фланце 19. Для обеспечения герметичности корпуса 12 служат уплотнения 32. Электрический ток (12 или 24 В) подается к токосъемнику 31 от токосъемника 33 и разъемных элементов 34 шпинделя 2 по проводам 35, проходящим по внутренним стенкам полого бурового става 7, при этом каждое звено става 7 содержит в замковых соединениях 36 разъемные элементы 34.

При использовании в устройстве очистного агента - жидкости, с целью изоляции лазерного луча от жидкостной среды, внутри полого шпинделя 2 и полых звеньев става 7 размещают с образованием полостей 37 внутренние трубы 38, которые связаны по концам со шпинделем 2 и звеньями става 7 посредством фланцев 39 с отверстиями 40 для пропуска жидкости (фиг. 6 - 8). При этом в соединениях звеньев 36 бурового става 7 размещены герметичные уплотнения 41 с отверстиями для пропуска жидкости. Для пропуска жидкости из полостей 37 става 7 в полость 18 вала 10 служат каналы 42, выполненные в ребрах 21 фигурного фланца 19 вала 10.

Осуществляется данный способ следующим образом. Перед началом бурения прямолинейных скважин производят ориентирование и установку рабочего органа 1 в заданном направлении используя известные методы и приборы. После чего в шпинделе 2 рабочего органа 1 и направляющем люнете (не показан) устанавливают первое звено бурового става 7 с породоразрушающим инструментом 9 и направляющим опорным фонарем 8, у которого опорные элементы 13 находятся в поджатом состоянии. Затем на буровой став 7 подается рабочая нагрузка, например, вращение и осевое давление, т.е. происходит процесс забуривания скважин. После входа в скважину управляемого направляющего опорного фонаря 8 во внутрь полого бурового става 7 через вертлюг подается очистной агент, например сжатый воздух, и направляется для обозначения заданного направления лазерный луч от лазерного прибора 6 соосно продольной оси става 7.

При прямолинейном бурении, т.е. когда ось породоразрушающего инструмента 9 совпадает с продольной осью става 7, обозначенной лазерным лучом, лазерный луч диаметром (d) проходит на одинаковом, при заданной точности, расстоянии от фотоэлементов 29 корпуса 12. Сжатый воздух, проходящий внутри звеньев става 7, поступает через полость 18 отверстие 17, кольцевую протоку 16 вала 10 и открытие отверстия 26 во все рабочие полости 23, которые посредством эластичных диафрагм 22 с одинаковым усилием прижимают опорные поверхности 14 опорных элементов 13 к стенкам скважины, центрируя став 7 по оси бурения. При этом поверхности 14 опорных элементов 13 скользят вместе с корпусом 12 при продвижении става 7 в скважине, а силы трения опорных поверхностей 14 со стенками скважины предотвращают вращение корпуса 12 фонаря 8, что стабилизирует процесс прямолинейного бурения. Этому же способствует и вариант фиксации опорных элементов 13 от проворачивания при помощи продольных фиксирующих выступов 15, выполненных на опорных поверхностях 14 опорных элементов 13.

Если в процессе бурения скважина по каким-либо причинам начинает искривляться, т.е. ось породоразрушающего инструмента 9 отклоняется от проектной линии, заданной лазерным лучом, то минимум как на один из фотоэлементов 29 через приемные окна 20 фигурного фланца 19 вала 10 попадает луч. Сигнал управления с этого фотоэлемента 29 поступает на индивидуальный привод 28, предварительно подключенный к электрической сети 33-34-31-28, и заслонка 27 закрывает отверстие 26 под соответствующим опорным элементом 13. Доступ воздуха в соответствующую рабочую полость 23 прекращается, остаточное давление из этой полости выходит через дренажные отверстия 24 и обратный клапан 25 в затрубное пространство, а запорный элемент 13 перестает прижиматься к стенке скважины. Под действием поперечной силы от других опорных элементов 13 породоразрушающей инструмент 9 разбуривает скважину в нужном направлении до тех пор, пока лазерный луч не уйдет с данного фотоэлемента 29 на проектную ось и последний не подаст сигнал индивидуальному приводу 28 на открытие отверстия 26 рабочей полости 23 при помощи заслонки 27. После этого давление сжатого воздуха во всех рабочих полостях 23 выравнивается и опорные элементы 13 продолжают нажимать на стенки скважины с одинаковым усилием, центрируя став 7 в заданном направлении. В случае искривления става 7 в плоскости, проходящей через боковые зазоры 30 между фотоэлементами 29, в конструкции предусмотрено, чтобы диаметр лазерного луча был больше величины боковых зазоров 30 и ширины ребер 21 между приемными окнами 20, фигурного фланца 19 вала 10, что позволяет осуществлять автоматическое управление устройством при искривлениях скважины практически во всех плоскостях как с вращающимися, так и невращающимся ставом.

Аналогичным образом работает данное устройство и в случае использования в качестве очистного агента жидкости (фиг. 6 - 8). В этом случае лазерный луч изолирован от жидкостной среды полостей 37 става 7 и шпинделя 2 и проходит внутри труб 38, а жидкость из полостей 37 через каналы 42 в ребрах 21 фигурного фланца 19 поступает в полости 18 вала 10 и далее в рабочие полости 23.

Указанный способ бурения прямолинейных скважин и устройство для его осуществления позволяет существенно повысить эффективность бурения скважин в заданном направлении за счет оперативного контроля искривления скважин и автоматического управления головной частью бурового става, исключающего это искривление, что в свою очередь позволяет исключить из технологического процесса бурения приборы и устройства, а также операции с ними, по поддержанию заданного направления при проходке скважин различного назначения.

Формула изобретения

1. Способ бурения прямолинейных скважин, включающий ориентирование и установку рабочего органа бурильной машины в заданном направлении, бурение скважины полым буровым ставом с направляющим опорным фонарем в головной части, включающее наращивание става отдельными звеньями с одновременным размещением на ставе в определенной последовательности опорных фонарей, диаметр которых не менее диаметра породоразрушающего инструмента, и подачу в скважину очистного агента, отличающийся тем, что в головной части става размещен автоматически управляемый направляющий опорный фонарь, а для обозначения заданного направления используют лазерный луч, который направляют во внутрь полого бурового става, соосно его продольной оси, при этом очистной агент, подаваемый в став, используют совместно с лазерным лучом для управления направляющим опорным фонарем в процессе бурения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве очистного агента используют сжатый воздух.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве очистного агента используют жидкость.

4. Устройство для бурения прямолинейных скважин, включающее рабочий орган с полым шпинделем, вертлюг для подачи очистного агента, полый буровой став, в головной части которого размещен управляемый направляющий опорный фонарь, содержащий полый вал, жестко связанный по концам с породоразрушающим инструментом и первым звеном става, и свободно установленный на вале корпус по меньшей мере с тремя опорными элементами для взаимодействия со стенками скважин, отличающееся тем, что на вертлюге установлен лазерный прибор, сфокусированный по продольной оси рабочего органа, при этом на внешней поверхности вала направляющего опорного фонаря выполнены кольцевая проточка и отверстие для сообщения с внутренней полостью вала, а на конце вала, обращенном навстречу лазерному лучу - фигурный фланец с приемными окнами и ребрами между ними, размещенными по его периметру, при этом опорные элементы направляющего опорного фонаря выполнены с возможностью независимого перемещения относительно корпуса и опираются на эластичные диафрагмы, образующие в корпусе направляющего опорного фонаря, под каждым опорным элементом, рабочие полости, каждая из которых соответственно сообщена с затрубным пространством дренажным отверстием и обратным клапаном, а с внутренней полостью вала направляющего опорного фонаря - отверстием, связанным с кольцевой проточкой и отверстием вала с возможностью перекрытия доступа воздуха из внутренней полости вала направляющего опорного фонаря в рабочую полость путем закрытия указанного отверстия заслонкой, снабженной индивидуальным приводом, получающим сигнал управления от фотоэлементов, размещенных по периметру торца корпуса направляющего опорного фонаря напротив приемных окон фигурного фланца вала, причем фотоэлементы установлены с образованием боковых зазоров между собой и равноудалены от продольной оси, а ширина ребер между приемными окнами фигурного фланца вала и величина боковых зазоров между фотоэлементами меньше диаметра лазерного луча.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что фигурный фланец вала жестко связан с первым звеном бурового става и содержит токосъемник для передачи электрического тока на индивидуальный привод заслонки.

6. Устройство по любому из пп. 4 и 5, отличающееся тем, что электрический ток подается к токосъемнику фигурного фланца вала по проводам, проходящим по внутренним стенкам звеньев полого бурового става, при этом каждое звено става содержит в замковых соединениях разъемные элементы для передачи электрического тока.

7. Устройство по любому их пп. 4-6, отличающееся тем, что на шпинделе рабочего органа размещен токосъемник и разъемные элементы для передачи электрического тока звеньям бурового става.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутри полого шпинделя рабочего органа, соосно продольной оси, размещена с образованием полости внутренняя труба, которая жестко связана с шпинделем рабочего органа посредством фланцев, имеющих отверстия для пропуска жидкости.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутри каждого звена бурового става, соосно продольной оси, размещена с образованием полости внутренняя труба, которая жестко связана с трубой звеньев бурового става посредством фланцев, имеющих отверстия для пропусков жидкости.

10. Устройство по любому из пп. 4-9, отличающееся тем, что в соединениях звеньев бурового става размещены герметичные уплотнения.

11. Устройство по любому из пп 4,8,9, отличающееся тем, что ребра фигурного фланца вала направляющего опорного фонаря снабжены каналами, соединяющими полости звеньев бурового става с внутренней полостью вала.

12. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что на опорных поверхностях опорных элементов корпуса направляющего опорного фонаря выполнены продольные фиксирующие выступы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8