Устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой

Изобретение относится к горному делу, в частности к бурению геологоразведочных, водозаборных, дренажных и других скважин технического назначения, проходимых в неустойчивых и разрушенных горных породах, и может быть использовано при создании буровых снарядов для бурения с одновременной обсадкой. Обеспечивает надежную работу в широком диапазоне физико-механических свойств горных пород, быстрый и безотказный перевод его из транспортного положения в рабочее и обратно, использование серийного породоразрушающего инструмента. Устройство состоит из бурильной и обсадной колонн, башмака с центратором, породоразрушающего элемента, направляющего элемента и отклонителя с подводящими каналами. Направляющий элемент выполнен с эксцентричным поперечным пазом прямоугольной формы, нижняя часть которого на величину эксцентриситета, определяемого разностью R_СКВ. - R_П.И., где R_СКВ. и R_П.И. радиусы скважины и породоразрушающего инструмента соответственно, выполнена с конусностью, равной конусности хвостовика отклонителя. Отклонитель размещен в эксцентричном поперечном пазу направляющего элемента с возможностью осевого и горизонтального смещения. При этом ось подводящего канала отклонителя для подачи очистного агента на забой скважины расположена под углом к его оси и оси скважины. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к бурению водозаборных, геологоразведочных, дренажных и других скважин технического назначения, проходимых в неустойчивых и разрушенных горных породах, и может быть использовано при создании буровых снарядов для бурения с одновременной обсадкой.

Известно шарошечное долото [1], которое можно использовать при бурении скважин с одновременной обсадкой, состоящее из корпуса, одной основной породоразрушающей и одной калибрующей шарошек, лапы которых установлены в корпусе на осях с возможностью поворота и шарнирно соединены между собой тягами. Такое долото имеет ряд существенных недостатков: конструкция очень сложна в изготовлении из-за наличия нескольких осевых узлов, размещенных в довольно ограниченном пространстве; долото предназначено для бурения в твердых и крепких породах, так как чтобы привести его в рабочее положение, необходимо создать значительное усилие на забой скважины, что возможно только в указанных выше породах, а при бурении неустойчивых и разрушенных породах это сделать практически невозможно; для эффективного разрушения твердых и крепких пород требуется значительное осевое усилие на забой скважины, а это значит, что оси шарошек и тяг должны иметь достаточную прочность, которую создать в таком ограниченном пространстве весьма проблематично.

Известно также устройство [2], состоящее из обсадной колонны с внутренним продольным выступом в нижней части, внутри которой расположена бурильная колонна со специальным породоразрушающим инструментом с пазами на корпусе, позволяющие ему при бурении выходить за приделы обсадной колонны. Породоразрушающий инструмент соединен с бурильной колонной эксцентриковым переходником, на котором размещен эксцентриковый центратор, служащий для смещения оси бурильной колонны относительно оси обсадной колонны в призабойной части скважин - прототип. Недостатками этой конструкции являются: сложность конструкции, а соответственно и изготовления, необходимость применения специального, а не серийного, породоразрушающего инструмента, значительная сложность перевода устройства из транспортного положения в рабочее и обратно, так как трудно добиться высокой точности при совмещении внутреннего продольного выступа на обсадной колонне с пазом центратора в призабойной зоне, что снижает надежность устройства в целом.

В основу настоящего изобретения поставлена задача - создание конструкции устройства для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной осадкой, обеспечивающего надежную работу в широком диапазоне физико-механических свойств горных пород, быстрый и безотказный перевод из транспортного положения в рабочее и обратно и использовать серийный породоразрушающий инструмент.

Поставленная задача решается тем, что устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой (в дальнейшем - устройство), состоящее из бурильной и обсадной колонн, башмака с центратором, направляющего, отклоняющего (в дальнейшем - отклонителя) и породоразрушающего элементов, в котором направляющий элемент выполнен с эксцентричным поперечным пазом прямоугольной формы, нижняя часть которого по высоте на величину эксцентриситета выполнена с конусностью, равной конусности хвостовика отклонителя, размещенного в эксцентричном поперечном пазу направляющего элемента с возможностью осевого и горизонтального смещения, при этом ось промывочного канала отклонителя направлена под углом к оси скважины, а в каналы направляющего элемента и отклонителя, подающие очистной агент на забой скважины, вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента; хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и расположена на расстоянии от оси отклонителя, равном не менее 1,5 величины эксцентриситета е со смещением в сторону эксцентриситета, определяемого разностью R_СКВ. - R_П.И., где R_СКВ. и R_П.И. - радиусы скважины и породоразрушающего инструмента соответственно, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с направляющим элементом, а минимальная длина продольного отверстия в хвостовике отклонителя равна величине эксцентриситета - е.

Отличием предлагаемого технического решения устройства является наличие в направляющем элементе эксцентричного поперечного паза прямоугольной формы, нижняя часть которого по высоте на величину эксцентриситета выполнена с конусностью, равной конусности хвостовика отклонителя, размещенного в поперечном прямоугольном пазу с возможностью осевого и горизонтального смещения, при этом ось промывочного канала отклонителя направлена под углом к его оси и оси скважины, а в каналы направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента; хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и отстоит от оси отклонителя на величину не менее 1,5е со смещением в сторону эксцентриситета, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с корпусом направляющего элемента, а минимальная длина продольного отверстия равна или больше величины эксцентриситета.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено предлагаемое устройство в разрезе, находящееся в рабочем положении на забое скважины.

Устройство состоит из бурильной 1 и обсадной 2 колонн, находящихся в скважине 3. В нижней части обсадная колонна имеет башмак 4 с центратором 5, закрепленном в башмаке с помощью стопорного кольца 6. Кольцевая проточка под стопорное кольцо в башмаке 4 выполнена с конической фаской для обеспечения беспрепятственного подъема центратора в случае необходимости замены изношенного породоразрушающего инструмента, а также для последующей установки фильтра в водозаборных скважинах. В рабочем положении устройства нижняя часть направляющего элемента 7 находится в центраторе 5, обеспечивая положение отклонителя 8 в строгом соответствии с заложенным эксцентриситетом. Хвостовик 9 отклонителя 8 своим торцем упирается в дно эксцентричного поперечного прямоугольного паза 10 в направляющем элементе 7. При этом нижняя коническая часть направляющего элемента, конгруэнтная хвостовику 9 отклонителя 8 и по высоте равная не менее величины эксцентриситета h₁ = е, плотно сопрягается с поверхностью хвостовика 9, препятствуя горизонтальному смещению его относительно оси скважины. В таком положении пары направляющий элемент - отклонитель осевая нагрузка и вращающий момент от бурового станка передаются породоразрушающему инструменту и на забой скважины. В этот момент горизонтальная ось 11, жестко соединенная с направляющим элементом, размещенная в отверстии некруглой формы 12, расположенным на расстоянии h₂, равном не менее 1,5 величины эксцентриситета от оси отклонителя 8, которая в свою очередь отстоит от оси скважины на величину эксцентриситета, упирается в нижнее основание отверстия 12 и также препятствует горизонтальному смещению хвостовика 9. Большая ось продольного отверстия 12 имеет величину, равную или большую величине эксцентриситета L≥e.

Рабочие органы породоразрушающего инструмента (в данном случае одна из шарошек трехшарошечного долота), жестко и соосно соединенного с отклонителем 8, в этот момент занимают положение, которое обеспечивает образование ствола скважины заданного диаметра, равного или большего диаметру обсадной трубы. Здесь необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство. В предлагаемом устройстве в качестве породоразрушающего инструмента используются серийно выпускаемые отечественной промышленностью шарошечные долота или лопастные долота режущего типа в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых горных пород, что исключено при использовании известных устройств.

После завершения бурения скважины бурильную колонну отрывают от забоя на расстояние большее величины эксцентриситета. Породоразрушающий инструмент 13 вместе с отклонителем 8 опускается под собственным весом на величину эксцентриситета h₁ = e до упора горизонтальной оси 11 в верхнюю часть продольного отверстия некруглой формы 12, т.е. система отклонитель - породоразрушающий инструмент зависает на горизонтальной оси 11. При этом нижняя часть хвостовика 8 выходит из зацепления с нижней частью направляющего элемента 7, а образовавшийся между ними зазор позволяет отклониться оси отклонителя и породоразрушающего инструмента на величину t, равную или большую величине е, что при дальнейшем подъеме бурильной колонны позволяет системе отклонитель - породоразрушающий инструмент свободно проходить внутри башмака 4 обсадной колонны 2. Положение возможного отклонения отклонителя 8, а следовательно, и породоразрушающего инструмента 13, от первоначального рабочего положения на чертеже показано пунктирной линией. На устье скважины поднимаются породоразрушающий инструмент, отклонитель, направляющий элемент и центратор со стопорным кольцом, что в дальнейшем дает возможность установить фильтр в башмаке обсадной колонны при бурении водозаборных скважин.

Для обеспечения прохода очистного агента на забой скважины в подводящие каналы 14 и 15 направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка 16, обеспечивающая герметизацию и соединение двух каналов. При этом ось подводящего канала отклонителя направлена под углом к его оси и оси скважины, а подводящий канал направляющего элемента делается несколько большего диаметра эластичной втулки, что позволяет ей свободно перемещаться в осевом направлении скважины, необходимом при спуске и подъеме бурильной колонны.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устройства имеет следующие преимущества перед известными:

1. Значительно упрощается конструкция устройства при высокой надежности работы.

2. Значительно расширяется область применения устройства при проходке скважин с одновременной обсадкой.

3. Исключается необходимость использования специальных породоразрушающих инструментов.

4. Отсутствуют непроизводительные затраты на приведение устройства из транспортного положения в рабочее и обратно, что увеличивает эффективность буровых работ.

Источники информации:

1. Патент РФ №1798467, кл. Е 21 В 7/20.

2. Патент РФ №938647, кл. Е 21 В 10/64.

1. Устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой, состоящее из бурильной и обсадной колонн, башмака с центратором, породоразрушающего элемента, направляющего элемента и отклонителя с подводящими каналами, отличающееся тем, что направляющий элемент выполнен с эксцентричным поперечным пазом прямоугольной формы, нижняя часть которого на величину эксцентриситета, определяемого разностью R_СКВ. - R_П.И., где R_СКВ. и R_П.И., радиусы скважины и породоразрушающего инструмента соответственно, выполнена с конусностью - равной конусности хвостовика отклонителя, который размещен в эксцентричном поперечном пазу направляющего элемента с возможностью осевого и горизонтального смещений, при этом ось подводящего канала отклонителя для подачи очистного агента на забой скважины расположена под углом к его оси и оси скважины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и расположена на расстоянии от оси отклонителя, равном не менее 1,5 величинам эксцентриситета со смещением в сторону эксцентриситета, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с направляющим элементом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что минимальная длина продольного отверстия некруглой формы, расположенного на хвостовике отклонителя, равна величине эксцентриситета.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в подводящие каналы направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента.