Установка для строительства скважин
Изобретение относится к области бурения скважин, а именно с способам проходки горных пород путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента под давлением. Установка содержит оборудование устья скважины, бурильное устройство, спуско-подъемный механизм, вспомогательное оборудование и инструмент. Снабжена мобильным буровым устройством, камерами, заполненными топливными компонентами, хладагентом, сжатым газом. Оснащена: программированным устройством управления, газо- и шламораспределительной системой, устройством для разделения бурового шлама, механизмом для предварительного закрепления стенки проходимой скважины. Оборудование устья скважины выполнено в виде превентора, оснащенного в своих полостях камерами с топливными компонентами, хладагентом и сжатым газом. Камеры превентора имеют патрубки для их заполнения и штуцеры для удаления компонентов. Направляющая превентора, формирующая устье скважины, оснащена приводными захватами для мобильного бурового устройства, выполненного в виде автономного устройства, имеющего модульные блоки, представляющие собой последовательно соединенные: рабочий породоразрушающий инструмент, генератор рабочего агента, камеры, заполненные сжатым газом, хладагентом, топливными компонентами, дополнительный баллон сжатого газа, дополнительный генератор рабочего агента, камера с хладагентом, программированное устройство управления работой клапанных отверстий и магистралей, соединяющих указанные модульные блоки автономного бурового устройства. Обеспечивает повышение эффективности проходки скважины и увеличение производительности используемого бурильного агрегата. 12 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к способам проходки горных пород путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента под давлением и предназначено для образования скважин и выработок различного назначения.
Технологические процессы проходки горных пород и образования скважин в настоящее время решены определенными приемами и операциями, из которых наиболее представительными являются способы образования скважин, существенными приемами и признаками которых являются: оборудование устья постановкой превентора, проходка геологических горизонтов путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента, формирование восходящего потока к устью скважины для выноса бурового шлама из зоны забоя и полости скважины [Дмитриев А.П. и др., Термическое и комбинированное разрушение горных пород, М., Недра, 1978, с.135-136; US 3917007, 175/14; FR 2232670, E21B 7/18; RU 2161245, E21B 7/14].
Технологии проходки скважин в настоящее время развиваются использованием комплексных методов и технических средств для сокращения сроков работ и повышения эффективности. Одним из направлений развития технических средств является создание установок для проходки скважин, использующих энергию струй рабочего агента под давлением совместно с использованием механического разрушения минеральной среды. Такие установки содержат корпус в виде удлиненного полого цилиндра, размещенный в его полости термогазогенератор, рабочее пространство которого соединено с полостью рабочего породоразрушающего органа, оснащенного соплами и механическим инструментом в виде комбинированных резцов.
Аналогами установки являются устройства того же назначения: Дмитриев А.П., Термическое и комбинированное разрушение горных пород, М., Недра, 1978, с.135-138; SU 924389, 1978; SU 1475245, 1987; RU 2148699, 1998; RU 2167266, 2000; RU 2178503, E21B 37/16, 2002.
Наиболее близким техническим решением по сущности и техническому результату является установка для строительства скважин RU 2222681, E21B 7/00, 7/14, 2003, содержащая оборудование устья, буровой аппарат, технологическое оснащение.
Существенными недостатками указанных установок и выбранного прототипа являются: незначительный энергетический потенциал термогазогенератора, ввиду ограниченных геометрических объемов камеры выработки рабочего агента, не позволяющего повышать массовые, температурные и динамические характеристики рабочего агента, воздействующего на забой и формирующего восходящий поток бурового шлама, что приводит к цикличности процесса работы установки и существенно понижает эффективность использования энергии, подаваемой в рабочий орган установки и на разрушение забоя. Кроме того, являются: сверхнормативные удельные расходы рабочего агента на забое и повышенные затраты энергии на формирование потока бурового шлама, направляемого из ствола к устью скважины; неуправляемость характеристик процесса по тепловой и кинетической энергиям, параметрам рабочего агента и воздействию его на забой и стенки проходимой скважины. Это ведет к стохастическому процессу выбора операций и параметров способа и отражается на перерасходах компонентов, формирующих объем рабочего агента для проходки скважины в геологических горизонтах.
Технической задачей и положительным технологическим результатом предлагаемой технологии образования скважины и выработок является дальнейшее совершенствование процессов, операций и параметров воздействия на забой, стенки скважины, формирование потока бурового шлама, за счет выбора оптимальных операций, режимов и их параметров для процесса разрушения массива породы на забое, дробления отдельных частиц, управления скоростями и температурой воздействия рабочего агента и потока бурового шлама, ведущих к повышению эффективности способа и увеличению производительности используемого бурильного агрегата.
Технический результат и эффективность достигаются за счет того, что установка для строительства скважин, содержащая оборудование устья скважины, бурильное устройство, спуско-подъемный механизм, вспомогательное оборудование и инструмент, характеризуется тем, что она снабжена мобильным буровым устройством, камерами, заполненными топливными компонентами, хладагентом, сжатым газом, оснащена: программированным устройством управления, газо- и шламораспределительной системой, устройством для разделения бурового шлама, механизмом для предварительного закрепления стенки проходимой скважины, при этом оборудование устья скважины выполнено в виде превентора, оснащенного в своих полостях камерами: с топливными компонентами, хладагентом и сжатым газом, эти камеры превентора имеют патрубки для их заполнения и штуцеры для удаления компонентов, направляющая превентора, формирующая устье скважины, оснащена приводными захватами для мобильного бурового устройства, выполненного в виде автономного устройства, имеющего модульные блоки, соединенные между собой в виде удлиненного цилиндрического корпуса, модульные блоки представляют собой последовательно соединенные: рабочий породоразрушающий инструмент, генератор рабочего агента, камеры, заполненные сжатым газом, хладагентом, топливными компонентами, дополнительный баллон сжатого газа, дополнительный генератор рабочего агента, камера с хладагентом, программированное устройство управления работой клапанных отверстий и магистралей, соединяющих указанные модульные блоки автономного бурового устройства, имеющего на своем корпусе кольцевые сопловые насадки для воздействия на стенку скважины, на корпусе также закреплены упругоподатливые элементы, имеющие привод их деформации.
Установка характеризуется тем, что превентор оснащен выдвижными штуцерами для временного соединения со штуцерами автономного бурового устройства, а также имеет контактные токовыводы для стыковки с токовыводами устройства.
Установка, характеризующаяся тем, что ее рабочий породоразрушающий инструмент выполнен в виде полого рабочего органа, соединенного с выходом генератора рабочего агента, оснащенного струйными и механическими рабочими насадками.
Установка, характеризующаяся также тем, что ее рабочий породоразрушающий орган выполнен в виде проточной камеры, имеющей газо- и шламоводные каналы, соединенные с призабойным пространством и с полостью скважины.
Установка, характеризующаяся тем, что рабочий породоразрушающий орган имеет отверстие, соединенное магистралью с камерой хладагента, или имеет несколько таких отверстий, направленных на поверхность забоя.
Установка, характеризующаяся тем, что она оснащена телескопическим трубопроводом или эластичным подвижным коаксиальным трубопроводом, соединенным открытым кольцевым пространством с превентором, а своим глухим (торцевым) торцем - с автономным буровым устройством.
Установка характеризуется также тем, что корпус автономного бурового устройства своими модулями состыкован посредством полых шарниров, имеющих приводы наклона частей корпуса относительно друг друга и - рабочего органа.
Установка оригинальна также тем, что подача к забою разрушение породы на забое, возврат к устью скважины ее автономного бурового устройства осуществляется за счет регулирования усилий воздействий этого устройства на забой, на стенку скважины и на отводимый поток бурового шлама подачей команд от программированного устройства управления на клапаны открытия-закрытия отверстий коммуникаций подачи компонентов.
Установка характеризуется эффективностью за счет того, что шламоразделительная система выполнена в виде пневмоциклона, сообщенного своим входным патрубком с направляющей превентора, формирующей устье скважины.
Установка характеризуется также тем, что устройство для разделения бурового шлама выполнено в виде пневмогидроциклона.
Установка характеризуется по результату тем, что клапанные отверстия оснащены приводом открытия их проходного сечения для регулирования истечения рабочего агента на забой под давлением 3-100 кгс/см2 и расходом 1-9 м3/с при удалении от забоя со скоростью 10-60 м/с.
Установка, характеризующаяся также тем, что отверстие, сообщенное с камерой хладагента, имеет клапан регулирования его проходного сечения для подачи на забой и стенки скважины рабочего агента с его температурой 600-900°C.
Установка, отличающаяся и оригинальна также тем, что она оснащена упругоподатливыми элементами, закрепленными на корпусе одним своим концом с помощью шарнира, а противоположные их концы прижаты к корпусу посредством пружинящего кольца, при этом полость между этими элементами и корпусом сообщена с помощью клапанного отверстия с рабочим пространством дополнительного генератора рабочего агента или - с баллоном сжатого газа.
Установка для строительства скважин раскрывается прилагаемым графическим материалом, где:
на фиг.1 показан общий вид установки;
на фиг.2 - конструкция оборудования устья;
на фиг.3 - превентор с шламоотводом;
на фиг.4 - газо-шламораспределительная система;
на фиг.5 показан общий вид бурового устройства;
на фиг.6 и 7 - соединение модулей устройства;
на фиг.8 и 9 - конструкции рабочего органа;
на фиг.10 и 11 - трубы для полости скважины;
на фиг.12 - клапаны с приводами;
на фиг.13 - узел соединения модулей устройства.
Установка содержит оборудование устья скважины в виде превентора 1 оригинальной конструкции, содержащей направляющую 2, камеры 3, 4, 5 с топливными компонентами, хладагентом и сжатым газом, узел управления, захваты 6 для автономного бурового устройства 7, также имеющего оригинальное выполнение: корпус его составлен из модульных блоков, состыкованных между собой - это позволяет осуществлять выбор режимов, параметров, методов проходки скважин. Генераторы 8, 9 рабочего агента предназначены для питания породоразрушающего инструмента 10, имеющего радиальные 11, кольцевые 12 и механические 13 рабочие насадки; а также для обеспечения работы кольцевых сопел 14 и 15 на корпусе; привода упругоподатливых элементов 16 и очистки ствола скважины от шлама. Корпус устройства 7 имеет возможность проходки наклонных и горизонтальных скважин за счет стыковки модулей посредством шарниров 17 с приводами 18 изменения положения модулей относительно оси устройства 7. Рабочий инструмент имеет каналы для пропуска бурового шлама и регулирования газопотоков в призабойной зоне скважины. Устройство оснащено также телескопической трубой для одновременного закрепления стенки скважины при проходке водонасыщенных плавунов и оснащено эластичным коаксиальным трубопроводом для проходки скважины под столбом жидкости. Такая конструкция делает установку универсальной для строительства скважин различного назначения.
Установка имеет программированное устройство управления 19, а мобильное буровое устройство 7 - аналогичное устройство управления 20 его работой через клапанные отверстия. Установка также оснащена газо- и шламораспределительной системой 21 с устройством 22 для разделения бурового шлама; оборудована механизмом 23 для предварительного закрепления стенки скважины (при проходке слабых неустойчивых горизонтов). Камеры превентора имеют патрубки 24 для заполнения их компонентами, а также - штуцеры 25 для удаления этих компонентов из полостей камер при заправке ими камер устройства 7, имеющего модульные блоки 26, соединенные между собой в виде удлиненного цилиндрического корпуса. В состав модулей входят: породоразрушающий инструмент 10, генератор 8 рабочего агента, камеры 27, 28 и 29, заполненные, соответственно, сжатым газом (воздухом или азотом, или аргоном), хладагентом (водой, сатурированной CO2), топливными компонентами (горючим и окислителем как отдельными, так и в сбалансированной композиции). Дополнительный генератор 9 оснащен дополнительным баллоном 30 со сжатым газом, имеет камеру 31 с хладагентом, соединен с топливной камерой 29; имеет клапанные отверстия 32; с помощью магистралей 33 и отверстий 32 модульные блоки 26 устройства 7 соединены между собой (их камеры и генераторы).
Превентор 1 имеет штуцеры 25 для временного соединения (при заправке) со штуцерами 34 устройства 7, а его контактные токовыводы 35 - для стыковки с токовыводами 36 бурового устройства 7.
Породоразрушающий инструмент 10 выполнен в виде полого рабочего органа 37 и в виде проточной камеры 38 с газо- и шламоводными каналами 39, которые сообщаются с призабойным пространством и с полостью скважины; также имеет отверстие 40, соединенное магистралью с камерой 28, или имеет несколько таких отверстий, направленных на поверхность забоя.
Установка снабжена телескопическим трубопроводом 41 или - эластичным подвижным коаксиальным трубопроводом 42, соединенным открытым кольцевым пространством 43 с превентором 1, 2, а глухим торцем 44 - с устройством 7. Корпус устройства 7 своими модулями 26 состыкован посредством полых шарниров 45, имеющих приводы 46 для наклона частей корпуса относительно друг друга и - рабочего органа. Клапанные отверстия 32 оснащены приводом 48 их открытия/закрытия для регулирования режимов и параметров работы устройства 7 в скважине 49 на забое 50 и при обработке ее стенки 51 при формировании ствола скважины.
Установка имеет техническое оснащение на своем корпусе в виде упругоподатливых элементов 52, закрепленных одним своим концом посредством шарнира 53 на корпусе бурового устройства 7, а свободные концы этих элементов стянуты пружинящим кольцом 54, при этом полость под элементами и между стенкой устройства сообщена с помощью клапанного отверстия 55 с рабочим пространством дополнительного генератора 9 рабочего агента или - с баллоном сжатого газа. Отжатием этих элементов от стенки устройства увеличивают местный диаметр устройства, создавая этим резкое повышение давления в забое и вокруг корпуса. Такой технической операцией осуществляют спуск, подъем устройства 7 и пакетирование локального пространства ствола скважины, например, при внезапном выбросе газа, воды и т.п.
Работа установки для строительства скважин осуществляется следующим образом. На устье скважины монтируют оборудование в виде превентора 1 с его функциональным техническим оснащением: направляющей 2, формирующей устье скважины 49; камерами 3, 4 и 5, соответственно, предназначенными для заполнения их объемов компонентами топлива, хладагента и сжатым газом. Превентор 1 также оснащают программированным устройством управления 19. Монтируют газо- и шламораспределительную систему 21 с пневмоциклоном 22 и пневмогидроциклоном 47. Проверяют работу патрубков 24, штуцеров 25 и контактных токовыводов 35.
В направляющей 2 превентора монтируют автономное буровое устройство 7, фиксируют его положение захватами 6 до спуска на забой 50 скважины 49. С помощью программированного устройства 20 запускают в работу генератор 8 рабочего агента, подавая в него топливные компоненты и хладагент из камер 29 и 28 через клапанные отверстия 32 по магистралям 33. Работающее автономное мобильное буровое устройство 7 отжимает захваты 6 превентора, опускается на забой и с помощью породоразрушающего инструмента (рабочего органа) 10 и его рабочих насадок 11, 12 и 13 разрушает породу, формирует восходящий поток бурового шлама по стволу скважины 49 вдоль ее стенки 51. Этот буровой шлам из устья скважины поступает в газо- шламораспределительную систему 21, в ее пневмо- 22 и пневмогидроциклон 47, где твердые частицы отделяются от газовых и парогазовых фаз и обеспыливаются (по экологическим нормам).
При проходке верхних водонасыщенных и/или неустойчивых, подверженных обрушению, горизонтов используют вспомогательное оборудование и механизм 23 для временного закрепления стенки скважины, с помощью которого на стенку скважины наносят, методом распыления под давлением, быстротвердеющий раствор, предупреждающий обвалы стенки до ее закрепления обсадной трубой. Неустойчивые глинистые горизонты закрепляют высокотемпературным воздействием из кольцевых сопловых насадок 14 и 15 устройства 7 при работе его дополнительного генератора 9 рабочего агента (при его температуре 600-900°C).
Выбор режимов и параметров работы насадок породоразрушающего инструмента 10 осуществляют в зависимости от степени буримости проходимых пород: при проходке слабых (несцементированных) пород разрушение забоя ведут давлением струи рабочего агента в пределах 20-50 кгс/см2 и расходе агента 1-3 м3/с, задавая скорость восходящего к устью бурового шлама 25-35 м/с. При проходке пород 14-18 категории буримости (гранит, базальт и т.п.) процесс разрушения начинают давлением 3-10 кгс/см2, расходом 1-1.5 м3/с при температуре струй 600-900°C, через промежутки времени, равные 20-60 с, давление струй и расход увеличивают, соответственно, до 70-100 кгс/см2 и 7-9 м3/с, обеспечивая скорость восходящего потока 50-60 м/с в течение 3-10 с. Затем этими же циклами процесс разрушения повторяют.
В процессе образования скважины 49 компоненты (топливо, хладагент, сжатый газ) в камерах устройства 7 расходуются. Это вызывает необходимость подъема данного автономного бурового устройства в направляющую 2 превентора 1, фиксирование его в захватах 6 и последующую дозаправку указанными компонентами из камер: 3 (топливные компоненты), 4 (хладагент) и 5 (сжатый газ) через заправочные штуцеры 25 и клапанные отверстия 32 - в камеры 29, 28 и 27 устройства 7.
Заправленное автономное устройство 7 освобождают из захватов 6, спускают на забой 50 и продолжают разрушение пород; проходят скважину 49 до заданной отметки с соблюдением отмеченных операций и режимов работы устройства 7 и всех функциональных агрегатов и узлов данной установки для строительства скважин, которая является универсальным техническим средством для буровой технологии.
1. Установка для строительства скважин, содержащая оборудование устья скважины, бурильное устройство, спуско-подъемный механизм, вспомогательное оборудование и инструмент, отличающаяся тем, что она снабжена мобильным буровым устройством, камерами, заполненными топливными компонентами, хладагентом, сжатым газом, оснащена программированным устройством управления, газо- и шламораспределительной системой, устройством для разделения бурового шлама, механизмом для предварительного закрепления стенки проходимой скважины, при этом оборудование устья скважины выполнено в виде превентора, оснащенного в своих полостях камерами с топливными компонентами, хладагентом и сжатым газом эти камеры превентора имеют патрубки для их заполнения и штуцеры для удаления компонентов, направляющая превентора, формирующая устье скважины, оснащена приводными захватами для мобильного бурового устройства, выполненного в виде автономного устройства, имеющего модульные блоки, соединенные между собой в виде удлиненного цилиндрического корпуса, модульные блоки представляют собой последовательно соединенные рабочий породоразрушающий инструмент, генератор рабочего агента, камеры, заполненные сжатым газом, хладагентом, топливными компонентами, дополнительный баллон сжатого газа, дополнительный генератор рабочего агента, камера с хладагентом, программированное устройство управления работой клапанных отверстий и магистралей, соединяющих указанные модульные блоки автономного бурового устройства, имеющего на своем корпусе кольцевые сопловые насадки для воздействия на стенку скважины, на корпусе также закреплены упругоподатливые элементы, имеющие привод их деформации.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что превентор оснащен выдвижными штуцерами для временного соединения со штуцерами автономного бурового устройства, а также имеет контактные токовыводы для стыковки с токовыводами устройства.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ее рабочий породоразрушающий инструмент выполнен в виде полого рабочего органа, соединенного с выходом генератора рабочего агента, оснащенного струйными и механическими рабочими насадками.
4. Установка по п.1 или 3, отличающаяся тем, что ее рабочий породоразрушающий орган выполнен в виде проточной камеры, имеющей газо- и шламоводные каналы, соединенные с призабойным пространством и с полостью скважины.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочий породоразрушающий орган имеет отверстие, соединенное магистралью с камерой хладагента, или имеет несколько таких отверстий, направленных на поверхность забоя.
6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена телескопическим трубопроводом или эластичным подвижным коаксиальным трубопроводом, соединенным открытым кольцевым пространством с превентором, а своим глухим торцем с автономным буровым устройством.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус автономного бурового устройства своими модулями состыкован посредством полых шарниров, имеющих приводы наклона частей корпуса относительно друг друга и рабочего органа.
8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что подача к забою, разрушение породы на забое, возврат к устью скважины ее автономного бурового устройства осуществляется за счет регулирования усилий воздействий этого устройства на забой, на стенку скважины и на отводимый поток бурового шлама подачей команд от программированного устройства управления на клапаны открытия-закрытия отверстий коммуникаций подачи компонентов.
9. Установка по п.1 или 8, отличающаяся тем, что шламоразделительная система выполнена в виде пневмоциклона, сообщенного своим входным патрубком с направляющей превентора, формирующей устье скважины.
10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для разделения бурового шлама выполнено в виде пневмогидроциклона.
11. Установка по п.1 или 8, отличающаяся тем, что клапанные отверстия оснащены приводом открытия их проходного сечения для регулирования истечения рабочего агента на забой под давлением 3-100 кгс/см2 и расходом 1-9 м3/с при удалении от забоя со скоростью 10-60 м/с.
12. Установка по п.1 или 5, отличающаяся тем, что отверстие, сообщенное с камерой хладагента, имеет клапан регулирования его проходного сечения для подачи на забой и стенки скважины рабочего агента с его температурой 600-900°C.
13. Установка по п.1 или 7, отличающаяся тем, что она оснащена упругоподатливыми элементами, закрепленными на корпусе одним своим концом с помощью шарнира, а противоположные их концы прижаты к корпусу посредством пружинящего кольца, при этом полость между этими элементами и корпусом сообщена с помощью клапанного отверстия с рабочим пространством дополнительного генератора рабочего агента или с баллоном сжатого газа.
