Способ стабилизации направления бурения, устройство стабилизации направления бурения и буровой агрегат
Владельцы патента RU 2365727:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу" (RU)
Группа изобретений относится к горному делу, а именно к способу стабилизации направления бурения, устройству стабилизации направления бурения и буровому агрегату, и может быть использована для сооружения скважин специального назначения. Стабилизация направления бурения при бурении двойной колонной труб для способа достигнута за счет нагружения в процессе бурения внешней и внутренней колонн труб с возможностью растяжения одной из колонн и сжатия другой, для устройства - благодаря снабжению его опорным кольцом, установленным на переднем конце наружной колонны, имеющим ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны, а для бурового агрегата - за счет установления упора на переднем конце наружной колонны в форме кольца, имеющего ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны, и выполнения шпинделя вращателя внутренней колонны труб с возможностью осевого перемещения относительно вращателя внешней колонны труб, при этом шпиндель снабжен силовым узлом с приводом осевого перемещения. Обеспечивает бурение прямолинейных скважин, в том числе в неустойчивых породах, с помощью двойной колонны труб и расширение арсенала устройств стабилизации направления бурения. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для сооружения скважин специального назначения.
Из технического уровня известно, что суммарные упругие деформации колонны бурильных труб, зависящие от диаметра труб, при достижении колонной определенной длины, делают ее неспособной выдерживать заданное направление бурения. Вследствие гибкости колонны любые внешние воздействия вызывают неконтролируемое искривление скважины [Технология и техника разведочного бурения под редакцией Шамшева Ф.А. Издательство «Недра», Москва, 1966, с 319-328].
Для борьбы с искривлениями скважин известны устройства, называемые центраторами, выполненные в виде вставок в буровой снаряд, на наружной поверхности которых расположены ребра, образующие диаметр, равный или близкий к диаметру долота [«Спутник буровика», под редакцией Иогансена К.В., издательство «Недра», Москва, 1981, с.48-50].
Недостатками аналогов является их ненадежная работа в разрушенных неустойчивых горных породах.
Известно также устройство для уменьшения естественного искривления, выполненное в виде невращающегося центратора, диаметром, близким к диаметру скважины, и снабженного кулачковыми муфтами, которые включаются в случае прихвата центратора и создают вибрацию [патент RU 2010939, опубл. 1994.04.15].
Недостатками известного устройства является то, что его принцип основан на контакте (опоре) со стенками скважины, что делает его ненадежным в разрушенных породах.
Известно устройство для стабилизации направления ствола скважины, включающее трубу диаметром, близким к диаметру скважины, взаимодействующую с буровым снарядом через подшипник [патент RU №1384703, опубл. 1986.19.09].
Общим недостатком аналогов является то, что они работают на принципе пассивного взаимодействия элементов бурового набора со стенкой скважины, что дает положительный результат при бурении в устойчивых горных породах. Во время бурения в зонах нарушений горных пород стенки скважины обваливаются, в результате чего формируется каверна значительно большего диаметра, чем скважина. В подобных условиях упомянутые центрирующие элементы, потеряв контакт со стенкой скважины, не способны удержать гибкую колонну буровых труб и, как следствие, заданное направление бурения.
Известны также способы активного управления направлением бурения.
Так, известен способ стабилизации скважины, включающий контроль за износом колонковой трубы [заявка 97207748, опубл. 1999.04.27].
Недостатком способа является ограничение его применения только бурением с отбором керна.
Известен способ бурения прямолинейных скважин и устройство для его осуществления, согласно которому для контроля направления используют центраторы (фонари), которые управляются лазерным лучом [заявка 95105382, 1995.04.10].
Недостатком известного способа является его сложность и возможность реализовать только посредством специального бурового оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным в качестве прототипа является способ стабилизации направления бурения, характеризующийся бурением двумя колоннами труб, т.е. в состав колонны труб включают длинные направляющие элементы с диаметром, близким к диаметру скважины (справочник по осушению горных пород под редакцией Станченко И.К., издательство «Недра», Москва, 1984 г., стр.418-421).
Недостатком способа по прототипу является то, что он не повышает жесткость колонны рабочих труб, следовательно, недостаточно надежен при бурении в неустойчивых или разрушенных породах.
Задачей изобретения является создание способа направленного бурения прямолинейных скважин, в том числе в неустойчивых породах, с помощью двойной колонны труб и расширение арсенала устройств стабилизации направления бурения.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:
- стабилизация направления бурения;
- расширение арсенала средств стабилизации направления бурения.
Решение поставленной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным
- для способа стабилизации направления бурения благодаря тому, что в известном способе, включающем бурение скважин внешней и внутренней колоннами труб, размещенными соосно, в процесс бурения внешнюю и внутреннюю колонны труб нагружают с возможностью растяжения одной из колонн и сжатия другой;
- для устройства стабилизации направления бурения благодаря тому, что известное устройство, включающее внешнюю и внутреннюю колонны труб, размещенные соосно, силовой узел и тормозящее устройство, дополнительно снабжено опорным кольцом, установленным на переднем конце наружной колонны труб, имеющим ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны труб;
- для бурового агрегата благодаря тому, что в известном буровом станке, включающем основание, внешнюю и внутреннюю колонны труб, подвижную каретку, на которой установлены вращатель внешней колонны труб с гидропатроном, являющимся тормозящим устройством, и вращатель внутренней колонны труб со шпинделем, на переднем конце наружной колонны труб установлен упор в форме кольца, имеющего ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны, а шпиндель вращателя внутренней колонны труб выполнен с возможностью осевого перемещения относительно вращателя внешней колонны труб и снабжен силовым узлом с приводом осевого перемещения.
Изобретательским шагом является снижение неконтролируемого искривления сооружаемой скважины, особенно в неустойчивых грунтах, за счет изменения свойств системы и исключения из процесса влияния свойств внешней среды, например неустойчивых стенок скважин, обрушений, каверн и т.д. Это стало возможным за счет повышения радиальной жесткости двойной колонны труб путем создания противоположных векторов осевого напряжения. Создание векторов осевого напряжения достигаются за счет сочетания действия в конструкции устройства стабилизации направления бурения силового устройства, тормозящего устройства и упорного кольца на свободном конце внешней колонны труб, в которое упирается внутренняя колонна труб.
В буровом агрегате достижение такого технического результата получено снабжением силовым узлом с приводом осевого перемещения и выполнением шпинделя вращателя внутренней колонны труб с возможностью осевого перемещения относительно вращателя внешней колонны труб.
Заявленное изобретение иллюстрируют следующие чертежи.
Фиг.1. Показано схематично устройство стабилизации направления бурения из внешней колонны труб, внутренней колонны труб, силового узла, тормозящего устройства, упорного кольца, бурового долота.
Фиг.2. Показано устройство стабилизации направления бурения в горизонтальной скважине: тормозящее устройство, силовой узел, внешняя колонна труб, внутренняя колонна труб, стенки скважины, упорное кольцо, буровое долото.
Фиг.3. Показаны действующие силы на устройство стабилизации направления бурения в горизонтальной скважине: положение «а» исходное, положение «b» при возможном отклонении от исходного.
Фиг.4. Показан буровой агрегат с внешней колонной труб, внутренней колонной труб, силовым узлом, тормозящим устройством, упорным кольцом, долотом, вращателем внешней колонны труб, вращателем внутренней колонны труб, шпинделем вращателя внутренней колонны труб, цилиндрами.
Фиг.5. Показаны действующие силы на внешнюю и внутреннюю колонны труб в способе по прототипу в исходном положении «а» и в положении «b» при возможном отклонении от исходного.
Фиг.6. Показаны действующие силы на внешнюю и внутреннюю колонны труб по заявленному способу стабилизации направления бурения в исходном положении «а» и в положении «b» при возможном отклонении от исходного.
Устройство стабилизации направления бурения (фиг.1, 2) включает внешнюю колонну 1 труб, внутреннюю колонну 2 труб, силовой узел 3, тормозящее устройство 4, в качестве которого использован армированный твердым сплавом расширитель диаметром больше диаметра долота, упорное кольцо 5, в качестве которого использовался тройной переходник, жестко соединяющий внешнюю 1, внутреннюю 2 колонны труб и долото 6.
Способ стабилизации направления бурения скважины (фиг.1) основан на том, что соосно расположенные внешнюю колонну 1 труб и внутреннюю колонну 2 труб нагружают осевой нагрузкой в противоположном направлении. В этом случае одна колонна труб испытывает напряжение растяжения, а вторая - сжатие. В результате внешняя колонна 1 труб приобретает значительно большую радиальную жесткость, чем в свободном состоянии. Для этого упирают внутреннюю колонну 2 труб в опорное кольцо 5, установленное на торце внешней 1 колонны труб. Силовым узлом 3 сжимают внутреннюю колонну 2 труб, а внешнюю колонну 1 труб жестко тормозят относительно внешней с помощью тормозящего устройства 4, благодаря этому внешняя колонна 1 труб испытывает напряжение растяжения, а внутренняя - сжатия. В этом случае внешняя 1 колонна выполняет функцию гибкой консольной балки (фиг.3), к концу которой прикладывают растягивающее усилие Q.
Если в силу гибкости и под воздействием каких-то внешних отклоняющих факторов балка отклонилась от первоначального положения «а» и приобрела положение «b», на ее конце возникает радиальная сила Рр, которая стремится вернуть ее в положение «а». Это значит, что балка в положении «а», растянутая осевой силой Q, будет сопротивляться внешним отклоняющим воздействиям, то есть увеличится ее радиальная жесткость.
Буровой агрегат (фиг.4) включает внешнюю колонну 1 труб, внутреннюю колонну 2 труб, подвижную каретку (не показаны), на которой установлены вращатель 7 внешней колонны 1 труб с тормозящим устройством 4 в виде гидропатрона и вращатель 8 внутренней колонны труб с подвижным относительно вращателя 8, шпинделем 9 и силовым узлом 3, жестко соединенным с внутренней 2 колонной труб. Силовой узел 3 приводится в действие цилиндрами 10. На переднем торце внешней колонны 1 труб установлено опорное кольцо 5, в которое торцом упирается внутренняя колонна 2 труб. Тормозящее устройство 4 в виде гидропатрона вращателя 7 зажимает внешнюю колонну 1 труб. С помощью цилиндров 10 и силового узла 3 внутренняя колонна 2 труб сжимается в осевом направлении, упираясь в кольцо. В результате этого сжатая внутренняя колонна 2 труб растягивает внешнюю колонну 1 труб, что повышает радиальную жесткость последней.
Распределение действующих сил во внешней колонне 1 и внутренней колонне 2 труб (фиг.5) может быть показано в сравнении с действующими силами в прототипе (фиг.5). Обычный центратор L в положении «а» воспринимает осевую нагрузку Q от бурильных труб (не показаны) на заднем торце (точка А). На переднем торце (точка В) центратора возникает сила R реакции забоя скважины. Если в силу действия каких-то отклоняющих факторов передний торец (точка В) принимает положение B1, а центратор L положение «b», действующие силы разлагаются на осевые Рос и радиальные РR. Радиальные РR в точках А и В1 образуют момент, который стремится увеличить отклонение (то есть опрокинуть конструкцию).
Предлагаемая конструкция центратора L (фиг.6) отличается тем, что осевое усилие Q приложено к переднему торцу (точка В, положение а). Тогда часть осевого усилия Q затрачивается на тормозящее усилие Т на заднем торце центратора L (точка А). Таким образом, центратор L испытывает осевые напряжения растяжения. В случае отклонения центратора L от начального положения «а» в положение «b» осевые силы разлагаются на осевые составляющие Рос и Тос и радиальные РR и ТR. Радиальные силы РR и TR образуют момент, который стремится вернуть центратор L в первоначальное положение «а».
Буровой агрегат работает следующим образом (фиг.4). Наружная колонна 1 труб взаимодействует с внутренней колонной 2 труб через опорное кольцо 5, снабженное подшипником (не показан). Наружная колонна 1 труб зажата в тормозящем устройстве 4 в виде гидропатрона. Внутренняя колонна 2 труб, соединенная со шпинделем 9 вращателя 8, сжимается цилиндрами 10 в осевом направлении.
Таким образом внешняя колонна 1 труб за счет упора внутренней колонны 2 труб в упорное кольцо 5 растягивается. В результате внешняя и внутренняя колонны труб испытывают противоположные вектора осевого напряжения, что значительно повышает их радиальную жесткость и способность выдерживать заданное направление.
Практическая применимость заявляемого изобретения показана на примере конкретного применения при бурении горизонтальных дренажных скважин в карьерах.
Пример
Заявляемый способ реализован буровым агрегатом на основе буровой установки УЛБ-130, которой осуществляют бурение внешней колонной труб и внутренней колонной труб. Для этого установку снабжают подвижным в осевом направлении шпинделем вращателя внутренней колонным труб и силовым узлом в виде двух гидроцилиндров.
Сооружают горизонтальную дренажную скважину в грунтах 7 категории длиной до 300 м. Механическая скорость достигает до 6 м/час.
Для этого с помощью цилиндров и силового узла сжимают внутреннюю колонну в осевом направлении путем ее упора в упорное кольцо. При этом внешняя колонна труб растягивается, что обеспечивает бурение практически без отклонения.
Отклонение от горизонтали составило 1%.
Как видно из примера, заявляемая совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи и достижение таких технических результатов, как стабилизация направления бурения и расширение арсенала средств стабилизации направления бурения.
1. Способ стабилизации направления бурения, включающий бурение скважины внешней и внутренней колоннами труб, размещенными соосно, отличающийся тем, что в процессе бурения внешнюю и внутреннюю колонны труб нагружают с возможностью растяжения одной из колонн и сжатия другой.
2. Устройство стабилизации направления бурения, включающее внешнюю и внутреннюю колонны труб, размещенные соосно, силовой узел и тормозящее устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено опорным кольцом, установленным на переднем торце внешней колонны труб и имеющим ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны труб.
3. Буровой агрегат, включающий основание, внешнюю и внутреннюю колонны труб, тормозящее устройство, подвижную каретку, на которой установлены вращатель внешней колонны труб с гидропатроном и вращатель внутренней колонны труб со шпинделем, отличающийся тем, что на переднем торце внешней колонны труб установлено опорное кольцо, имеющее ширину, обеспечивающую возможность упора в него торца внутренней колонны труб, а шпиндель вращателя внутренней колонны труб выполнен с возможностью осевого перемещения относительно вращателя внешней колонны труб и снабжен силовым узлом с приводом осевого перемещения.
