Способ бурения горных пород и устройство для его осуществления

Изобретение относится к горной, горно-строительной и строительной промышленности и может быть использовано для разрушения твердых пород при бурении неглубоких взрывных, геологоразведочных и инженерных скважин в труднодоступных районах буровыми станками. Технический результат - снижение энергозатрат на бурение инженерно-геологических скважин путем исключения из производственного процесса циркуляции очистного агента, а также повышение интенсивности охлаждения породоразрушающего инструмента. Способ бурения горных пород 7 заключается в бурении кольцевым забоем, вращением породоразрушающего инструмента 1 с его охлаждением и очисткой забоя от шлама потоком газа. Породоразрушающий инструмент 1 охлаждают углекислотой в твердом состоянии (сухой лед) 6, а очистку забоя осуществляют испаряющимся углекислым газом через затрубное пространство 8. Устройство для бурения горных пород 7 содержит закрепленную на бурильной колонне 5 с помощью переходника 4 колонковую трубу 3 с кернорвательным кольцом 2 и установленным на ней породоразрушающим инструментом 1. Внутреннее пространство колонковой трубы 3 заполнено углекислотой в твердом состоянии 6. На наружных поверхностях колонковой трубы 3, корпуса породоразрушающего инструмента 1 и переходника 4, выполненного глухим, навита ленточная спираль 9. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горной, горно-строительной и строительной промышленности и может быть использовано для разрушения горных пород при бурении неглубоких взрывных, геологоразведочных и инженерных скважин в труднодоступных районах буровыми станками.

Известен способ бурения скважин (патент РФ №2276245, МПК Е21В 7/00), включающий проходку ствола скважины буровым инструментом с очисткой скважины от бурового шлама сжатым воздухом, нагнетаемым компрессором в скважину через буровой инструмент, отличающийся тем, что при снижении скорости проходки скважины ниже заданного значения внутри бурового инструмента формируют "жидкий" поршень, для чего последовательно прекращают нагнетание сжатого воздуха, производят кратковременную подачу под давлением промывочной жидкости в буровой инструмент и возобновляют нагнетание сжатого воздуха, после чего с помощью давления нагнетаемого сжатого воздуха "жидкий" поршень перемещают через буровой инструмент к забою скважины и от забоя по стволу скважины к ее устью, и при этом с помощью указанного "жидкого" поршня вытесняют буровой шлам из скважины через устье последней. Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью использования компрессора в процессе бурения скважины и бурового насоса для подачи промывочной жидкости.

Известен способ бурения инженерно-геологических скважин (Ребрик Б.М. Бурение инженерно-геологических скважин: Справочник. // М.: Недра, 1990 г., стр.64-74), заключающийся во вращательном бурении кольцевым забоем скважин малого диаметра, с наличием на забое воды или ее периодическим доливом, в породах малой твердости последовательными рейсовыми углублениями, в основном твердосплавным породоразрушающим инструментом, с заменой инструмента после подъема снаряда, с передачей крутящего момента с помощью бурильных труб вращателем подвижного типа, без дополнительного рабочего механизма, с низкой частотой вращения, без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением керна и с отделением последнего путем затирки «всухую» и транспортированием в колонковой трубе, с закреплением стенок обсадными колоннами. Недостатками данного способа и устройства являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью наличия воды на забое скважины или ее доливом в скважину.

Известен способ бурения инженерно-геологических скважин, принятый за прототип (Ребрик Б.М. Бурение инженерно-геологических скважин: Справочник. // М.: Недра, 1990 г., стр.64-74), заключающийся во вращательном бурении кольцевым забоем скважин, в породах любой твердости, последовательными рейсовыми углублениями, с передачей крутящего момента с помощью бурильных труб вращателем подвижного типа, без дополнительного рабочего механизма, с выносом продуктов разрушения потоком воздуха, с прямой циркуляцией, создаваемой компрессором на поверхности, с получением керна и транспортированием в колонковой трубе. Для осуществления данного способа используется одинарный или двойной колонковый набор, содержащий колонковую трубу с установленным в ней кернорвательным кольцом, коронку и переходник. Недостатками данного способа и устройства являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью использования компрессора в процессе бурения скважины.

Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат на бурение инженерно-геологических скважин путем исключения из производственного процесса циркуляции очистного агента, а также повышение интенсивности охлаждения породоразрушающего инструмента.

Технический результат достигается тем, что способ бурения горных пород, заключающийся в бурении кольцевым забоем вращением породоразрушающего инструмента с его охлаждением и очисткой забоя от шлама потоком газа, отличающийся тем, что породоразрушающий инструмент охлаждают углекислотой в твердом состоянии (сухой лед), а очистку забоя осуществляют испаряющимся углекислым газом через затрубное пространство.

Технический результат в части устройства для бурения горных пород достигается тем, что оно содержит закрепленную на бурильной колонне с помощью переходника колонковую трубу с кернорвательным кольцом и установленным на ней породоразрушающим инструментом и отличается тем, что внутреннее пространство колонковой трубы заполнено углекислотой в твердом состоянии, а на наружных поверхностях колонковой трубы, корпуса породоразрушающего инструмента и переходника, выполненного глухим, навита ленточная спираль.

Применение предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить коэффициент полезного действия при бурении неглубоких скважин в твердых породах за счет исключения из производственного процесса циркуляции очистного агента, а также повышение интенсивности охлаждения породоразрушающего инструмента.

Способ бурения горных пород и устройство для его осуществления поясняется схемой работы устройства, где:

1 - корпус породоразрушающего инструмента (алмазная или твердосплавная коронка);

2 - кернорвательное кольцо;

3 - колонковая труба;

4 - глухой переходник;

5 - буровая колонна;

6 - углекислота в твердом состоянии (сухой лед);

7 - горная порода;

8 - затрубное пространство;

9 - ленточная спираль.

Способ предназначен для разрушения горных пород при бурении неглубоких взрывных, геологоразведочных и инженерных скважин в труднодоступных районах буровыми станками. Корпус породоразрушающего инструмента 1 закрепляют с помощью резьбового соединения на колонковой трубе 3, содержащей кернорвательное кольцо 2, образуя колонковый набор. Колонковая труба 3 соединена с помощью резьбового соединения с бурильной колонной 5 глухим переходником 4. На наружной поверхности колонковой трубы 3, корпуса породоразрушающего инструмента 1 и переходника 4 навита ленточная спираль 9.

Внутри колонковой трубы 3 с помощью кернорвательного кольца 2 перед началом бурения устанавливают углекислоту в твердом состоянии (сухой лед) 6, например, в форме цилиндра, диаметр которого ограничен внутренним диаметром колонковой трубы.

Устройство для бурения горных пород работает следующим образом. При бурении скважин осуществляют вращение буровой колонны 5, осевое усилие создают вращателем подвижного типа, прижимая колонковый набор, образованный колонковой трубой 3 и породоразрушающим инструментом с корпусом 1, к забою скважины. Во время бурения горной породы 7 породоразрушающим инструментом выделяется теплота, которая вызывает интенсивное испарение углекислоты 6 в твердом состоянии, причем испарение должно происходить синхронно с заполнением керном колонкового набора - этого можно достичь, соблюдая режимы бурения, установленные для конкретных геологотехнических условий. Продукт испарения - углекислый газ в газообразном состоянии очищает внутреннее пространство колонкового набора от бурового шлама, выдувая его в затрубное пространство 8, таким образом исключая зашламование керна внутри колонковой трубы. В затрубном пространстве 8 выбуренные частички перемещаются на поверхность по ленточной спирали 9.

При проходке на всю длину колонкового набора производят отрыв породоразрушающего инструмента от забоя скважины, при этом срабатывает кернорвательное кольцо 2 и керн остается внутри колонковой трубы 3, замещая испарившуюся углекислоту 6. При бурении следующего рейса керн извлекают из колонкового набора и заполняют колонковую трубу 3 твердой углекислотой.

Применение данного способа бурения горных пород обеспечивает следующие преимущества:

- повышение коэффициента полезного действия бурения без промывки за счет исключения из производственного процесса циркуляции очистного агента;

- повышение интенсивности охлаждения породоразрушающего инструмента;

- снижение затрат энергии на бурение.

1. Способ бурения горных пород, заключающийся в бурении кольцевым забоем вращением породоразрушающего инструмента с его охлаждением и очисткой забоя от шлама потоком газа, отличающийся тем, что породоразрушающий инструмент охлаждают углекислотой в твердом состоянии (сухой лед), а очистку забоя осуществляют испаряющимся углекислым газом через затрубное пространство.

2. Устройство для бурения горных пород, содержащее закрепленную на бурильной колонне с помощью переходника колонковую трубу с кернорвательным кольцом и установленным на ней породоразрушающим инструментом, отличающееся тем, что внутреннее пространство колонковой трубы заполнено углекислотой в твердом состоянии, а на наружных поверхностях колонковой трубы, корпуса породоразрушающего инструмента и переходника, выполненного глухим, навита ленточная спираль.